СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В МНОГОПОДОВОЙ ПЕЧИ Российский патент 2003 года по МПК C21B13/06 F27B3/04 

Изобретение относится к способу прямого получения железа в многоподовой печи.

Процесс прямого получения железа путем его прямого восстановления протекает за счет восстановления оксида железа твердыми или газообразными восстановителями. При этом в качестве твердого восстановителя служит, например, углеродсодержащий исходный материал, который при более высоких температурах реагирует с диоксидом углерода с образованием СО как восстановительного газа.

Подобный способ можно осуществлять, например, в карусельной печи, т.е. в печи с вращающимся кольцевым подом, верхняя сторона которого футерована огнеупорным материалом и который окружен замкнутой защитной камерой. С верхней стороны этой замкнутой камеры расположены горелки, проходящие сквозь указанную камеру и нагревающие ее изнутри до необходимой реакционной температуры, составляющей более 1000^oС.

Оксид железа, помещаемый вместе с восстановителем в определенном месте на вращающийся под, в результате вращения последнего попадает внутрь замкнутой защитной камеры, где он под воздействием высоких температур реагирует с восстановителем, превращаясь примерно за один оборот вращающегося пода в восстановленное прямым путем железо. При использовании этого метода оксид железа и восстановитель после их загрузки на огнеупорную футеровку вращающегося пода сначала необходимо нагреть до требуемой температуры реакции, прежде чем сможет начаться собственно реакция восстановления. Этот нагрев происходит в зоне, граничащей в направлении вращения с зоной загрузки карусельной печи, за счет теплопередачи от горячих отходящих газов горелок загруженным материалам.

Из-за низкой теплопроводности загруженных материалов фаза нагрева до достижения необходимой температуры реакции внутри слоев загруженного материала является достаточно длительной. Чем дольше фаза нагрева, тем ниже производительность карусельной печи, поскольку скорость вращения вращающегося пода печи определяется скоростью нагрева.

Протекание процесса восстановления зависит от концентрации восстановительных газов, контактирующих с рудой. Однако на состав газов в отдельных зонах печи влиять практически невозможно, поскольку рабочее пространство всей печи является единым целым. Таким образом, при осуществлении обычных методов невозможно влиять на диффузию СО из восстановителя в руду и СО₂ из руды в восстановитель.

Начиная с определенной степени металлизации руды, скорость протекания процесса восстановления снижается настолько, что обычно процесс прерывают по достижении коэффициента металлизации в 85-95%. Увеличение длительности процесса до необходимого для полного восстановления оставшихся оксидов сделало бы процесс нерентабельным.

В DE 1225673 описан способ сухого восстановления железной руды в многоподовой печи, имеющей несколько расположенных один над другим подов. Железную руду загружают на самый верхний под, откуда она постепенно перемещается на нижележащие поды. На уровне нижних подов (восстановительные поды) подают восстановительный газ с целью восстановления железной руды. На верхних подах происходит предварительный нагрев железной руды до требуемой температуры восстановления за счет сгорания восходящего потока восстановительного газа. Перед подачей в многоподовую печь к железной руде может быть добавлен твердый восстановитель. Часть восстановительного газа по меньшей мере из одного из верхних восстановительных подов отводят и подают по меньшей мере в один из нижележащих восстановительных подов.

Из US 2089782 известен способ получения губчатого железа в многоподовой печи, имеющей несколько расположенных один над другим подов. Железную руду загружают на самый верхний под, откуда она постепенно перемещается на нижележащие поды. Твердый восстановитель загружают на один из нижележащих подов. Восстановление железной руды происходит на нижних подах (восстановительных подах). Необходимую для восстановления тепловую энергию обеспечивает электрически нагреваемый расплав, расположенный под самым нижним подом многоподовой печи. На верхних подах происходит предварительный нагрев железной руды за счет сгорания поднимающегося от восстановительных подов потока восстановительного газа.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать альтернативный способ прямого получения железа.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью способа прямого получения железа в многоподовой печи, имеющей несколько расположенных один над другим подов с обеспечением на нижних подах высокой температуры, при осуществлении которого руду непрерывно загружают в многоподовую печь, подавая ее на самый верхний под, откуда она постепенно перемещается на нижележащие поды, на самый верхний и/или на один из расположенных под ним подов подают твердый или жидкий восстановитель, на нижние поды подают кислородсодержащий газ, вступающий во взаимодействие с восстановителем с образованием восстановительного газа, при этом восстановительный газ реагирует с рудой с образованием восстановленного прямым путем железа, и это восстановленное прямым путем железо вместе с остатками восстановителей выгружают из многоподовой печи в зоне ее самого нижнего пода.

Существенное преимущество изобретения заключается в том, что рабочее пространство печи разделено на различные зоны, а также в том, что твердые вещества непрерывно перемещаются сверху вниз, а газы - снизу вверх. Разделение рабочего пространства печи на различные зоны позволяет проводить измерения технологических параметров процесса в таких различных зонах или даже на уровне каждого пода и целенаправленно влиять на них.

В качестве восстановителей могут быть использованы твердые, жидкие или газообразные восстановители.

При осуществлении предлагаемого способа в печь можно загружать мелкую руду, предотвращая ее спекание за счет целенаправленного управления технологическим процессом и постоянного перекатывания. Указанный вариант позволяет достичь особых преимуществ при использовании золообразующих восстановителей, поскольку отделение золы восстановителей от железа является простым в осуществлении процессом. Такое отделение можно проводить, например, в горячем состоянии путем классификации или грохочения. С другой стороны, отделять восстановленное прямым путем железо от золы и избыточного восстановителя можно с помощью магнитного или электромагнитного сепаратора после частичного охлаждения до температуры ниже 700^oС. Использование такого подхода возможно благодаря тому, что постоянное перекатывание в многоподовой печи предотвращает спекание железа. Таким образом, восстановленное прямым путем железо образуется в виде мелкозернистой фракции, легко выделяемой магнитными сепараторами. Качество получаемого при этом восстановленного прямым путем железа не зависит от количества остатков восстановителя.

Затем полученное железо можно либо перерабатывать в окатыши или брикеты, либо непосредственно загружать в плавильную печь (например электропечь и т. д.) и направлять на дальнейшую переработку.

Образующиеся остатки после отделения от них железа при необходимости можно сжигать в горелках вместе с возможно содержащимися в них неизрасходованными восстановителями, а образующееся в результате тепло подводить к печи.

Таким образом, можно использовать недорогой восстановитель со сравнительно высоким содержанием золы и/или работать со сравнительно большим избытком восстановителей.

В случае работы с большим избытком восстановителей остатки предпочтительно подвергать соответствующей обработке для выделения и повторного использования неизрасходованных восстановителей. Для этой цели остатки можно, например, просеивать, если неизрасходованные восстановители присутствуют в виде достаточно крупной фракции. Неизрасходованные восстановители можно непосредственно загружать в многоподовую печь.

Однако загрузку восстановителей можно разделить и на несколько стадий. Так, например, существует возможность загружать крупную фракцию восстановителя (1-3 мм) в многоподовую печь на вышележащие поды, а мелкую фракцию восстановителя (<1 мм) - на нижележащие поды. Благодаря этому практически полностью предотвращается вынос пыли с отходящими газами, а протекание реакции ускоряется благодаря мелким частицам восстановителя, подаваемым на более низкий по высоте печи под.

Загрузка более крупных частиц позволяет сократить расход восстановителей, поскольку на верхних подах мелкие частицы расходуются отходящими газами быстрее, чем это необходимо для восстановления железной руды.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов руду до ее загрузки в печь и контактирования с восстановителем сушат и при необходимости подогревают горячими отходящими газами многоподовой печи. При этом руду нагревают до температуры не менее 200^oС, предпочтительно не менее 350^oС. В этом случае время нагрева и сушки не должно превышать 10-20 мин во избежание слипания руды в восстановительной атмосфере.

Однако руду можно также смешивать по меньшей мере с частью необходимого восстановителя до ее загрузки в многоподовую печь.

Целенаправленное добавление восстановителей на нижних подах печи позволяет отрегулировать концентрацию восстановительных газов в печи на оптимальное значение и достичь тем самым более высокой степени металлизации руды.

Все восходящие газы, включая летучие компоненты восстановителей, можно полностью сжигать в верхней части печи, соответственно вне многоподовой печи, в сушильной установке для сушки руды и при необходимости для сушки восстановителя, что позволяет оптимально использовать остаточное тепло отходящих газов печи.

Загруженная в печь руда непрерывно перегребается расположенными на каждом поде гребками и таким путем постепенно перемещается на нижележащий под. Под действием гребков происходит быстрое перемешивание с рудой добавляемого к ней восстановителя и быстрый нагрев до температуры реакции. Непрерывное перегребание или перекатывание предотвращает спекание восстановителя и руды. Скорость перекатывания зависит от многих факторов, таких, например, как геометрическая форма гребков, толщина слоев и т.д. Руду, возможно содержащийся в ней восстановитель и восстановленное прямым путем железо необходимо перегребать на подах по меньшей мере один раз каждые одну-три минуты, что в значительной степени предотвращает агломерацию.

Кислородсодержащие газы можно целенаправленно вдувать на уровне того пода, где необходимо покрывать потребность в тепле за счет сжигания избыточных технологических газов.

При этом предпочтительно использовать кислородсодержащие газы, имеющие температуру не менее 350^oС.

На уровне самых нижних подов многоподовой печи можно дополнительно вдувать газообразный восстановитель, что обеспечивает более полное восстановление руды.

В следующем предпочтительном варианте предусматривается нагрев с помощью горелок одного или нескольких подов печи, расположенных под тем подом, на который загружают восстановители.

С той целью, чтобы образующиеся при нагреве отходящие дымовые газы не уменьшали концентрацию восстановительных газов в нижней части печи, энергию в этом случае можно подводить и косвенно, т.е. с помощью радиационного обогрева.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом предусмотрено отсасывание газов на уровне одного или нескольких подов многоподовой печи.

Эти горячие газы можно затем пропускать либо через скруббер, очищающий их от СО₂ с целью уменьшения количества газа и повышения его восстановительного потенциала, либо через дополнительный реактор с находящимся в нем углеродом с тем, чтобы содержащийся в горячих газах диоксид углерода вступал в реакцию с углеродом с образованием моноксида углерода в соответствии с условием равновесия системы СО₂-С-СО, повышая тем самым восстановительный потенциал газа. Обогащенные моноксидом углерода газы затем возвращают в многоподовую печь.

При необходимости на один из подов, расположенных ниже того пода, куда загружают восстановители, подают присадки. В этом случае газы предпочтительно отсасывать на уровне пода, расположенного выше того пода, на который подают присадки.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов газы отсасывают из многоподовой печи ниже определенного пода и затем снова вдувают в печь выше этого пода. На этот под в печь можно загружать содержащие тяжелые металлы оксиды железа в пылевидной форме или в виде шлама, где происходит восстановление оксидов тяжелых металлов, тяжелые металлы улетучиваются, а образующиеся на уровне этого пода газы удаляют затем отдельным отсасыванием.

Для дальнейшего повышения производительности в многоподовой печи можно создавать определенное избыточное давление. Создать такое избыточное давление в многоподовой печи достаточно просто, поскольку она, в отличие от карусельной печи, уплотняемой гидравлическими затворами в виде заполненного водой кольцевого канала диаметром примерно 50 м, имеет лишь небольшие уплотнения на приводном валу. В этом случае необходимо лишь предусмотреть шлюзовые камеры для загрузки и выгрузки материала.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере одного из вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - продольный разрез многоподовой печи для прямого получения железа;
на фиг.2 - продольный разрез многоподовой печи для прямого получения железа, выполненной по другому варианту.

На фиг. 1 показан продольный разрез многоподовой печи 10, имеющей несколько, в данном случае одиннадцать, расположенных один над другим подов 12. Эти поды 12 свободно несущей конструкции, а также кожух 14, свод 16 и подина 18 печи выполнены из огнеупорного материала.

В центре печи расположен вал 20, на котором закреплены гребки 22, выступающие над каждым из подов.

Гребки 22 выполнены таким образом, что они перегребают материал на одном поде по спирали изнутри наружу и затем на нижележащем поде снаружи внутрь, перемещая в результате материал внутри печи сверху вниз.

Загружать руду в печь можно отдельно от восстановителей или совместно с ними. При этом руду можно сушить вне печи, смешивать с восстановителями и совместно с ними загружать на самый верхний под печи, однако руду и восстановители можно загружать в печь и по отдельности, при этом руда может вступать в контакт с восстановителями на первом поде и/или на одном из нижележащих подов.

После загрузки руды на первый под она перегребается гребками 22, которые перемещают ее к краю пода, откуда она, проваливаясь через множество предусмотренных для этой цели отверстий, попадает на нижележащий под.

Отсюда руда перемещается к центру пода, откуда она, падая, опускается затем на следующий нижележащий под. За это время руда в результате контакта с подом и восходящими горячими газами нагревается до температуры примерно 600-1000^oС.

Вал 20 и гребки 22 имеют воздушное охлаждение, а в гребках предусмотрены отверстия 24, через которые внутрь печи может попадать поток воздуха, где он используется для дожигания.

В своде 16 печи 10 предусмотрены газоотвод 26 для удаления из печи газов и отверстие 28 для загрузки руды на самый верхний под печи.

В боковых стенках печи 10, обычно в ее верхней трети, расположено по меньшей мере одно загрузочное отверстие 30 для загрузки в печь восстановителей. Эти восстановители могут присутствовать как в газообразном, так и в жидком или твердом виде. В качестве восстановителей используют моноксид углерода, водород, природный газ, нефть и ее производные либо твердые углеродсодержащие материалы, такие, например, как буроугольный кокс, нефтяной кокс, пыль доменных или шахтных печей, уголь и т.п. Углеродсодержащий материал, загружаемый в печь 10 на более низкий под, смешивается в этом месте гребками 22 с нагретой рудой. Под действием высокой температуры и благодаря присутствию моноксида углерода во время перемещения по многоподовой печи 10 происходит постепенное восстановление содержащегося в руде оксида железа до металлического железа.

В нижней половине боковой стенки предусмотрены форсунки 32, 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, образуя диоксид углерода, который в свою очередь вступает во взаимодействие с присутствующим в избытке углеродом, превращаясь в моноксид углерода. В завершение оксид железа восстанавливается моноксидом углерода до металлического железа. Поскольку эта реакция носит в основном эндотермический характер, в нижней части печи целесообразно расположить горелки 34, которые обеспечивают на самых нижних подах печи постоянное поддержание высокой температуры. В этом случае можно использовать газовые или пылеугольные горелки.

Для подогрева и/или дополнительного обогрева указанных горелок 34 можно использовать газ или угольную пыль 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 можно получить в горелке 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. Температуру в камерах сгорания подбирают с таким расчетом, чтобы образующийся шлак можно было отводить в жидком виде и утилизовать в остеклованном виде. Образование моноксида углерода снижает расход твердых углеродсодержащих исходных материалов в печи 10, а тем самым и содержание золы в готовом продукте.

В боковой стенке печи на уровне среднего пода предусмотрены отверстия 36, через которые из печи можно отводить горячие газы.

На уровне последнего или двух последних подов предусмотрено добавление через специальные форсунки 37 газообразного восстановителя, например моноксида углерода или водорода. Эта атмосфера с повышенным восстановительным потенциалом позволяет обеспечить более полное восстановление руды.

В завершение восстановленное железо вместе с золой восстановителей выгружают через разгрузочное отверстие 39 в подине 18 печи 10.

Контролируемая подача твердых, жидких и газообразных восстановителей и кислородсодержащих газов в различных местах многоподовой печи 10 и возможность отсасывать избыточные газы в критических точках позволяют точно контролировать процесс восстановления руды и вести этот процесс при оптимальных условиях.

На фиг. 2 показана многоподовая печь 10, которая по своей конструкции в основном аналогична печи по фиг.1.

Эта печь 10 позволяет в дополнение к прямому получению железа перерабатывать также различные трудно поддающиеся утилизации отходы, такие, например, как железосодержащая пыль, загрязненная примесями.

Так, например, загрязненную примесями железосодержащую пыль электросталеплавильных или конвертерных сталеплавильных заводов или цехов, которая, как известно, почти не содержит углерода, можно загружать в многоподовую печь 10 вместе с рудой через отверстие 28 в своде 16.

Содержащую оксиды железа пыль с высоким содержанием углерода, такую, например, как маслосодержащие отходы прокатного производства или пыль, соответственно шламы, образующиеся при очистке отходящих газов доменных печей, можно подавать в печь 10 через специальное отверстие 31.

Поскольку указанные содержащие углерод и оксиды железа материалы зачастую загрязнены тяжелыми металлами, большую часть газов, поток которых движется в печи снизу вверх, можно отсасывать из печи 10 через отсасывающий патрубок 38 в боковой стенке печи под подом, на уровне которого в печь подают оксиды железа в виде углеродсодержащей пыли, и снова вдувать в печь 10 через впускное отверстие 40 выше этого пода. Благодаря этому количество газа на высоте расположения того пода, на который подают железную пыль, поддерживается на незначительном уровне. Содержащиеся в железной пыли тяжелые металлы непосредственно после их попадания в печь восстанавливаются и улетучиваются. После этого их вместе с газом, присутствующим на уровне этого пода в сравнительно небольшом количестве, можно отсасывать из печи 10 через выпускное отверстие 42 в боковой стенке. Затем небольшой объем газа со сравнительно высоким содержанием тяжелых металлов можно отдельно подвергать очистке. Небольшие объемы отходящего газа обусловливают низкую скорость протекания потока газа на соответствующих подах печи и в результате малый унос пыли этим отходящим газом. В результате в отходящем газе удается достичь очень высокой концентрации тяжелых металлов.

Содержащийся в пыли оксид железа восстанавливается вместе с загруженной рудой до железа.

Сущность: способ прямого получения железа осуществляют в многоподовой печи, имеющей несколько расположенных один над другим подов с высокой температурой на нижних подах. Руду непрерывно загружают в многоподовую печь, помещая ее на самый верхний под, откуда она постепенно перемещается на нижележащие поды, на самый верхний и/или на один из расположенных под ним подов подают восстановитель, вступающий в реакцию с рудой с получением восстановленного прямым путем железа. Через нижнюю половину боковой стенки подают кислородсодержащий газ, который вступает во взаимодействие с частью восстановителя с образованием восстановительного газа, который реагирует с рудой с образованием восстановленного железа, и это восстановленное прямым путем железо вместе с остатками восстановителей выгружают из многоподовой печи в зоне самого нижнего пода. Реализация изобретения позволит использовать недорогой восстановитель со сравнительно высоким содержанием золы и/или работать со сравнительно большим избытком восстановителей. 1 с. и 11 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ прямого получения железа в многоподовой печи, имеющей несколько расположенных один над другим подов, предусматривающий непрерывную загрузку руды на самый верхний под печи, подачу твердого или жидкого восстановителя на самый верхний и/или по меньшей мере на один из расположенных под ним подов, постепенное перемещение материала на нижележащие поды, создание на нижних подах высокой температуры, восстановление прямым путем руды и выгрузку из многоподовой печи восстановленного железа с остатками восстановителей в зоне ее самого нижнего пода, отличающийся тем, что восстановление руды осуществляют за счет подачи в печь через нижнюю половину ее боковой стенки кислородсодержащего газа, вступающего во взаимодействие с частью восстановителя с образованием восстановительного газа, реагирующего с рудой. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что один или несколько нижних подов печи нагревают с помощью расположенных в стенке печи горелок. 3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что его осуществляют при избыточном давлении. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что восстановитель подают на различные поды многоподовой печи. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что восстановители подают в многоподовую печь в избытке. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что крупную фракцию восстановителя подают в многоподовую печь ближе к ее верху, а мелкую фракцию восстановителя подают в многоподовую печь ближе к ее низу. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на уровне последнего или двух последних подов через специальные форсунки (37) добавляют газообразный восстановитель, например моноксид углерода или водород. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что возможно неизрасходованные восстановители отделяют от остатков после выгрузки из многоподовой печи. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что неизрасходованные восстановители сжигают в расположенных снаружи камерах сгорания, подводя к многоподовой печи образующееся в результате такого сгорания тепло. 10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что один или несколько подов печи имеют возможность косвенного нагрева. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в печь подают содержащие оксиды тяжелых металлов оксиды железа в виде пыли или шлама, при этом в печи происходит восстановление оксидов, а тяжелые металлы улетучиваются. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что улетучивающиеся тяжелые металлы удаляют отсасыванием отдельно на уровне того пода печи, где они образуются.

Приоритет по пунктам и признакам
04.02.1998 по пп. 1-12 с признаками, относящимся к загрузке восстановителя только на самый верхний ряд под;
10.12.1997 по пп. 1-12 с признаками, относящимися к загрузке восстановителя только на нижерасположенные поды;
09.12.1998 по пп. 1-12 с признаками, относящимися к загрузке восстановителя и на верхний и на нижерасположенный поды.