УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАТНОГО СМЕШИВАНИЯ В РЕАКТОРЕ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ Российский патент 2003 года по МПК C21B13/00 

Область применения изобретения
Данное изобретение относится к восстановительному реактору с кипящим слоем и в особенности к восстановительному реактору с кипящим слоем, в котором предотвращено обратное смешивание измельченной железной руды, подвергшейся реакции, с измельченной железной рудой, не подвергшейся реакции.

Уровень техники
Для получения расплавленного железа путем восстановления и плавления железной руды главным образом применяются доменные печи. Однако у доменной печи имеется недостаток, связанный с тем, что загружаемые в нее материалы должны проходить предварительную обработку для получения агломерата железной руды или кокса.

Для решения этой проблемы был разработан способ восстановления и плавки с непосредственным использованием измельченной железной руды и угля без предварительной обработки.

Указанный способ основан на использовании плавильного аппарата-газогенератора и восстановительного реактора с кипящим слоем. Плавильный аппарат-газогенератор газифицирует загруженный в него уголь для получения восстановительного газа и расплавляет восстановленное железо, поступающее из восстановительного реактора с кипящим слоем. В указанном реакторе используется восстановительный газ, полученный в плавильном аппарате-газогенераторе, для косвенного восстановления железной руды. Восстановительный реактор с кипящим слоем оснащен реактором предварительного нагревания, предназначенным для предварительного нагревания загруженной в него железной руды, реактором предварительного восстановления, предназначенным для восстановления железной руды, подаваемой из реактора предварительного нагревания, и заключительным восстановительным реактором.

В плавильный аппарат-газогенератор сверху непрерывно загружают уголь, который образует в нем угольный слой, расположенный на определенной высоте. Во время сгорания угля в присутствии кислорода высокого давления, поступающего снизу, образуется высокотемпературный восстановительный газ, подаваемый в восстановительный реактор с кипящим слоем. В плавильный аппарат-газогенератор также сверху загружают восстановленную железную руду, которая, проходя через угольный слой, плавится, образуя в результате жидкое железо.

В восстановительном реакторе с кипящим слоем измельченную железную руду, имеющую температуру окружающей среды, загружают в реактор предварительного нагревания, и она последовательно проходит через реактор предварительного восстановления и заключительный восстановительный реактор. Перемещение потока железной руды осуществляется по выпускной трубе (стояку), соединяющей между собой все реакторы. Поток железной руды, вследствие ее веса, направлен от верхнего реактора к нижнему.

Восстановительный газ последовательно подают в соответствующие реакторы по газопроводам, соединяющим эти реакторы между собой. Направление потока восстановительного газа прямо противоположно направлению потока железной руды. Это значит, что восстановительный газ последовательно протекает через заключительный восстановительный реактор, реактор предварительного восстановления и реактор предварительного нагревания. Восстановительный газ течет из нижнего реактора в верхний, поскольку давление в нижнем реакторе превышает давление в верхнем реакторе.

Когда железная руда проходит через восстановительный реактор с кипящим слоем, выполненный в соответствии с приведенным выше описанием, она, подвергаясь воздействию высокотемпературного восстанавливающего газа, нагревается и восстанавливается не менее чем на 90%.

Такой восстановительный реактор с кипящим слоем имеет ряд преимуществ, заключающихся в том, что эффективность теплообмена и эффективность переноса вещества между измельченной железной рудой и восстановительным газом очень высоки, а температура и распределение концентрации железной руды в кипящем слое остаются равномерными.

Восстановительный реактор с кипящим слоем имеет также недостаток, заключающийся в том, что смешивание измельченной железной руды в кипящем слое происходит настолько быстро, что время пребывания ее внутри реактора не является одинаковым. Если время пребывания измельченной железной руды в соответствующих реакторах оказывается неодинаковым, то некоторая часть руды, которая только что была загружена в соответствующий реактор, перемешивается с той рудой, которая уже полностью подверглась реакции, и несмотря на то, что эта руда лишь частично подверглась реакции, она подается в следующий реактор. Такое явление называется "обратным смешиванием" измельченной железной руды. При возникновении этого явления общая степень восстановления измельченной железной руды существенно уменьшается.

Для предотвращения явления обратного смешивания было предложено установить в соответствующих реакторах разделительные перегородки.

Например, несколько разделительных перегородок может быть установлено над газораспределителем для разделения кипящего слоя на несколько зон реакции. Каждая разделительная перегородка, за исключением той, которая отделяет первую и последнюю зоны реакции, имеет в центре отверстие для прохождения измельченной железной руды. Руда последовательно проходит через эти отверстия, начиная с отверстия первой из разделительных перегородок и заканчивая отверстием последней из них, при этом руда, находясь в псевдоожиженном состоянии, подвергается в соответствующих зонах реакции восстановлению под воздействием восстановительного газа, подаваемого в реактор снизу.

Однако указанные отверстия в разделительных перегородках не вполне пригодны для прохождения потока железной руды. Кроме того, время пребывания железной руды в соответствующих зонах реакции неодинаково, а следовательно, регулирование качества восстановления в данном случае становится затруднительным.

Сущность изобретения
Целью данного изобретения является создание восстановительного реактора с кипящим слоем, в котором может быть предотвращено явление обратного смешивания, а время пребывания загруженной измельченной железной руды в соответствующих зонах реакции поддерживается на постоянном уровне.

Эта и другие цели могут быть достигнуты путем создания восстановительного реактора с кипящим слоем, содержащего несколько реакторов с кипящим слоем. Каждый реактор с кипящим слоем имеет газораспределитель. Через верхнюю часть реактора с кипящим слоем своим свободным концом вертикально проходит загрузочная труба для железной руды. Указанный свободный конец расположен вблизи верхней центральной части газораспределителя. Над газораспределителем расположена спиралеобразная разделительная перегородка, которая, проходя по спирали от загрузочной трубы для железной руды к внутренней стенке реактора с кипящим слоем, окружает эту трубу. Один конец разделительной перегородки прикреплен к указанной стенке реактора. Выпускная труба, предназначенная для выпуска из реактора измельченной железной руды, установлена в его стенке. Указанная выпускная труба расположена вблизи прикрепленного конца разделительной перегородки.

В описанной выше конструкции измельченная железная руда, загружаемая через загрузочную трубу для железной руды, подвергается псевдоожижению и восстановлению, перемещаясь по спирали от центра реактора к его внутренней стенке. Следовательно, отсутствует явление обратного смешивания, при котором измельченная железная руда, подвергшаяся реакции, смешивается с рудой, не подвергшейся реакции.

Кроме того, загруженная измельченная железная руда последовательно течет по проходящей по спирали полости, окруженной разделительной перегородкой, вследствие чего время пребывания руды в реакторе может поддерживаться на постоянном уровне.

Краткое описание чертежей
Более полная оценка данного изобретения и его многочисленных преимуществ станет возможной после того, как изобретение будет лучше понято при ознакомлении со следующим ниже подробным его описанием совместно с прилагаемыми чертежами, на которых аналогичные номера позиций относятся к одинаковым или схожим компонентам и на которых:
фиг.1 изображает в аксонометрии реактор с кипящим слоем, предназначенный для восстановительного реактора с кипящим слоем и имеющий узел предотвращения обратного смешивания, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения данного изобретения и
фиг. 2 изображает вид сверху реактора с кипящим слоем, показанного на фиг.1.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
Предпочтительные варианты выполнения данного изобретения объяснены со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает реактор с кипящим слоем, предназначенный для восстановительного реактора с кипящим слоем и имеющий узел предотвращения обратного смешивания, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения данного изобретения, а фиг. 2 иллюстрирует протекание загружаемой измельченной железной руды в реакторе, показанном на фиг.1. Так как все реакторы с кипящим слоем имеют одинаковую конструкцию, на чертежах изображен только один из них.

Как показано на чертежах, загрузочная труба 12 для железной руды свободным концом вставлена в реактор 10 с кипящим слоем, при этом ее противоположный конец присоединен к бункеру загрузки железной руды (на чертежах не показан).

Труба 12 может проходить через верхнюю центральную часть реактора 10 или через его боковую часть. Свободный конец трубы 12 расположен непосредственно над центральной частью газораспределителя 19. Предпочтительно, чтобы труба 12 была прямой, а не изогнутой, и чтобы ее ось совпадала с вертикальной осью реактора 10.

Газораспределитель 19 расположен внутри реактора 10, в нижней его части, и имеет множество сопел. Полученный в плавильном аппарате-газогенераторе (на чертежах не показан) высокотемпературный восстановительный газ равномерно распределяется газораспределителем 19 во внутреннем пространстве реактора 10. Под газораспределителем 19 к реактору 10 присоединена труба 16 для подачи газа, предназначенная для подачи в этот реактор восстановительного газа.

Над газораспределителем 19 расположена спиралеобразная разделительная перегородка 13, окружающая трубу 12 и проходящая от нее по спирали к внутренней стенке реактора 10.

Свободный конец разделительной перегородки 13 расположен рядом с трубой 12, а ее противоположный конец прикреплен к внутренней стенке реактора 10 вертикальной пластиной 14. Таким образом, благодаря спиралеобразной разделительной перегородке 13 в реакторе 10 образован один непрерывный канал, проходящий по спирали.

Перегородка 13 может проходить по спирали от трубы 12 либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Кроме того, ширина спирального канала может быть постоянной или постепенно увеличиваться по мере удаления от трубы 12.

Предпочтительно, чтобы высота разделительной перегородки 13 превышала высоту кипящего слоя железной руды, образуемого в реакторе 10.

В стенке реактора 10 установлена выпускная труба 15, предназначенная для выпуска железной руды, подвергшейся реакции. Труба 15 расположена между верхней частью разделительной перегородки 13 и газораспределителем 19 с той стороны вертикальной пластины 14, где оканчивается протекание железной руды в реакторе 10.

Во время работы восстановительный газ, выработанный в плавильном аппарате-газогенераторе, подают в нижнюю часть реактора 10 по трубе 16, а измельченную железную руду, подаваемую из бункера железной руды, загружают в пространство над газораспределителем 19 по трубе 12.

Восстановительный газ и измельченную железную руду подают в реактор 10 непрерывно.

Загруженная железная руда перемещается по проходящему по спирали каналу, образованному спиралеобразной разделительной перегородкой 13, перемещаясь при этом от центра реактора 10 к его внутренней стенке. В это время измельченная железная руда при помощи восстановительного газа, поступающего через газораспределитель 19, образует кипящий слой и одновременно подвергается восстановлению.

Частицы загруженной железной руды псевдоожижаются и подвергаются реакции последовательно, так что явление обратного смешивания не происходит.

Поток измельченной железной руды, подвергшейся реакции, блокируется вертикальной перегородкой 14 и выпускается через выпускную трубу 15, расположенную вблизи указанной перегородки 14.

Время пребывания измельченной железной руды в реакторе 10 можно регулировать путем увеличения или уменьшения длины спиралеобразной разделительной перегородки 13. Это значит, что расстояние между витками спирали разделительной перегородки 13 может быть расширено или сужено.

Следующий пример подробнее иллюстрирует данное изобретение.

Пример 1
Технические и экспериментальные условия для восстановительного реактора с кипящим слоем были следующими.

(a) Технические характеристики реактора с кипящим слоем (реактор предварительного нагревания, реактор предварительного восстановления и заключительный восстановительный реактор):
- радиус газораспределителя - 0,74 м;
- высота реактора с кипящим слоем, измеренная от поверхности газораспределителя, - 6,0 м;
- расстояние между входным отверстием выпускной трубы и поверхностью газораспределителя - 1,5 м;
- расстояние между выходным отверстием загрузочной трубы для железной руды и поверхностью газораспределителя - 0,5 м;
- высота разделительной перегородки - 2,5 м;
- длина разделительной перегородки - 7 м.

(b) Измельченная железная руда:
- размеры частиц (зерен) измельченной железной руды менее 8 мм;
- гранулометрический состав частиц измельченной железной руды: менее 0,05 мм 4,6%; 0,05-0,15 мм 5,4%; 0,15-0,5 мм 16,8%; 0,5-4,75 мм 59,4%; 4,75-8 мм 13,8%;
- химический состав измельченной железной руды:
Fe 62,17%; FeО 0,51%; SiO₂ 5,5%; TiO₂ 0,11%; Mn 0,05%; S 0,012%; Р 0,65%; кристаллизационная вода 2,32%.

(с) Восстановительный газ:
- химический состав: СО 55%; Н₂ 20%; СO₂ 5%; N₂ 20%;
- температура в реакторе с кипящим слоем - 830^oС;
- поверхностная скорость газа у поверхности газораспределителя - 1,6 м/с;
- давление в реакторе с кипящим слоем - 200 кПа (2,0 кгс/см²).

Было проведено несколько экспериментов с реактором с кипящим слоем для исследования изменения характеристик загруженной в этот реактор измельченной железной руды, подвергающейся восстановлению в кипящем слое.

Результаты экспериментов показали, что загрузка и выгрузка измельченной железной руды осуществляются непрерывно и равномерно в течение длительного времени. Из этого следует, что протекание загруженной измельченной железной руды осуществляется равномерно, без задержек, образуя при этом устойчивый кипящий слой.

Кроме того, при проверке степени восстановления измельченной железной руды, выгружаемой через выпускную трубу 15, оказалось, что эта руда целиком подверглась восстановлению, и степень восстановления ее была не менее 90%. Следовательно, обратного смешивания измельченной железной руды не происходит и при этом обеспечивается равномерное время ее пребывания в реакторе.

Хотя данное изобретение подробно описано со ссылкой на предпочтительные варианты его выполнения, специалистам данной области понятно, что в изобретение могут быть внесены различные изменения, которые не противоречат его основной идее и не выходят за пределы объема правовой охраны, установленного в прилагаемой формуле изобретения.

Восстановительный реактор с кипящим слоем содержит несколько реакторов с кипящим слоем, имеющих газораспределители. Через верхнюю часть реактора проходит загрузочная труба, предназначенная для подачи в указанный реактор измельченной железной руды. Свободный конец загрузочной трубы расположен вблизи центра верхней части газораспределителя. Над газораспределителем расположена спиралеобразная разделительная перегородка, окружающая загрузочную трубу и проходящая по спирали к внутренней стенке реактора, к которой эта перегородка прикреплена. Измельченная железная руда подвергается псевдоожижению и восстановлению и непрерывно перемещается по спирали от центра реактора к его внутренней стенке. Технический результат заключается в исключении явления обратного смешивания, при котором измельченная железная руда, подвергшаяся реакции, смешивается с рудой, не подвергшейся реакции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Восстановительный реактор с кипящим слоем, имеющий несколько реакторов с кипящим слоем, каждый из которых оснащен газораспределителем и в которые поступает восстановительный газ из плавильного аппарата-газогенератора, и содержащий: загрузочную трубу для железной руды, проходящую через верхнюю часть реактора с кипящим слоем своим свободным концом, который расположен вблизи центральной части газораспределителя, спиралеобразную разделительную перегородку, расположенную над газораспределителем, окружающую загрузочную трубу для железной руды и проходящую по спирали от указанной трубы к внутренней стенке реактора с кипящим слоем, к которой эта разделительная перегородка прикреплена, и выпускную трубу, установленную в стенке реактора с кипящим слоем, предназначенную для выпуска измельченной железной руды из этого реактора и расположенную вблизи прикрепленного конца разделительной перегородки, при этом измельченная железная руда, загружаемая через загрузочную трубу для железной руды, подвергается псевдоожижению с образованием кипящего слоя и восстановлению, непрерывно перемещаясь по спирали от центральной части реактора с кипящим слоем к его внутренней стенке. 2. Восстановительный реактор по п. 1, в котором разделительная перегородка проходит по спирали от загрузочной трубы для железной руды к внутренней стенке реактора с кипящим слоем либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. 3. Восстановительный реактор по п. 1, в котором высота разделительной перегородки превышает высоту кипящего слоя, образуемого в реакторе с кипящим слоем. 4. Восстановительный реактор по п. 2, в котором высота разделительной перегородки превышает высоту кипящего слоя, образуемого в реакторе с кипящим слоем.