КАРУСЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ С ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ АТМОСФЕРОЙ И СПОСОБ ЕЕ ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2012 года по МПК C21B13/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к карусельной печи с восстановительной атмосферой для получения, главным образом, восстановленного железа из исходного материала (сырья), например железной руды или пыли для производства стали, и к способу ее действия.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для повторного использования оксида железа, содержащегося в сталеделательной пыли, пылевидной руде или подобном сырье, эти материалы смешивают с восстановительным веществом и связующим веществом и смесь гранулируют для образования агломератов. Агломераты загружают в карусельную печь с восстановительной атмосферой, нагревают и восстанавливают для получения восстановленных агломератов.

Карусельную печь с восстановительной атмосферой используют для нагрева и восстановления агломератов с помощью высокотемпературного противоточного дымового газа, получаемого сжиганием топлива и воздуха для горения, вдуваемых в печь.

На фиг.4 приведено схематическое изображение карусельной печи с восстановительной атмосферой. Печь 1 с восстановительной атмосферой состоит из загрузочного устройства 1а для загрузки вышеуказанных агломератов в печь, камеры 2а, 2b сгорания для нагрева и восстановления загруженных агломератов высокотемпературным дымовым газом и разгрузочного устройства 1b для выгрузки нагретых агломератов из печи наружу. Камера сгорания включает в себя область 2а полного сжигания, расположенную близко к загрузочному устройству 1а, и область 2b восстановления, расположенную близко к разгрузочному устройству 1b. Область 2а полного сжигания и область 2b восстановления предусмотрены с горелками 4 и 5, размещенными в боковых стенках печи 1 с восстановительной атмосферой. Вращение вращающегося пода побуждает загруженные агломераты проходить из области 2а полного сжигания через область 2b восстановления так, чтобы агломераты нагревались и восстанавливались, продуцируя в соответствии с этим восстановленное железо.

Агломераты, загруженные в область 2а полного сжигания, нагревают с помощью горелок 4 для инициирования восстановления и генерирования газа, содержащего диоксид углерода (углекислый газ) в качестве основного компонента. Затем восстановление агломератов продолжается и выделяется восстановительный газ, содержащий угарный газ в качестве основного компонента, когда агломераты движутся к области 2b восстановления. Таким образом, в области 2b восстановления карусельной печи с восстановительной атмосферой восстановительный газ, выделяемый из агломератов, помимо топлива, подаваемого из горелок 5, также служит в качестве топлива для сгорания.

В печи 1 с восстановительной атмосферой, поскольку область 2а полного сжигания и область 2b восстановления являются непрерывными относительно друг друга, газ, выделяемый в камере сгорания или инжектируемый в камеру сгорания, проходит через область 2b восстановления и область 2а полного сжигания и подается к выпускному патрубку 3 для выхода отработавших газов. Таким образом, достаточное количество воздуха подается в область 2а полного сжигания для сгорания восстановительного газа, поступающего из области 2b восстановления, так, чтобы могло быть использовано тепло сгорания.

Например, в ПАТЕНТНОМ ДОКУМЕНТЕ 1 описывается способ контролированного сгорания в карусельной печи с восстановительной атмосферой. В этом способе сгорания в области нагревательного сгорания измеряют концентрацию O₂ или СО в дымовом газе и воздух подают в область полного сжигания в соответствии с измеренной концентрацией для сгорания в области полного сжигания несгоревшего газа, выделяемого в области восстановления.

[ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ 1] японская выложенная патентная заявка №Hei 11-248359.

ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, ПОДЛЕЖАЩИЕ РЕШЕНИЮ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

В карусельной печи с восстановительной атмосферой большая часть области камеры сгорания служит в качестве печи с восстановительной атмосферой вследствие влияния угарного газа, выделяемого в течение восстановления агломератов. В принципе, оксиды азота маловероятно выделяются в такой карусельной печи с восстановительной атмосферой по сравнению со случаем использования обычной промышленной нагревательной печи. Однако на практике, поскольку температура внутри печи составляет 1000°С или выше, значительное количество оксидов азота выделяется, когда сжигают топливо и воздух, инжектируемые из горелок, и выделяемые оксиды азота выбрасываются из печи наружу в окружающую среду. Однако в стандартной карусельной печи с восстановительной атмосферой, поскольку количество выделяемых оксидов азота сравнимо с количеством или меньше количества обычной промышленной печи, не принимается специальных мер.

Однако в такой карусельной печи с восстановительной атмосферой чрезмерно большое количество оксидов азота может выделяться в следующих условиях.

(1) Хотя сжигание проводят в восстановительной атмосфере, если в высокотемпературном диапазоне чрезмерное количество воздуха для горения подается к устройству для сжигания, то в области горения или в других областях локально выделяется чрезмерное количество кислорода и в соответствии с этим выделяются оксиды азота.

(2) Когда разреженный несгоревший газ сжигают с воздухом для горения, если подается чрезмерно большое количество воздуха, то степень окисления газа сгорания увеличивается и в соответствии с этим выделяются оксиды азота.

(3) Когда разреженный несгоревший газ сжигают с воздухом для горения, если сжигание проводят в узкой камере, то температура локально увеличивается и в соответствии с этим выделяются оксиды азота.

(4) Чем выше температура при сжигании в восстановительной атмосфере, тем большее количество выделяемых оксидов азота.

В соответствии с этим настоящее изобретение обеспечивает способ сжигания для карусельной печи с восстановительной атмосферой. В этом способе предпринимаются меры для уменьшения вышеуказанных обстоятельств так, чтобы выделение оксидов азота в карусельной печи с восстановительной атмосферой подавлялось для значительного уменьшения их количества вы выхлопе.

МЕРЫ, ПРИНИМАЕМЫЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВЫШЕУКАЗАННЫХ ПРОБЛЕМ

Настоящее изобретение обеспечивает получение карусельной печи с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа, в которой оксид металла и восстановительное вещество, загруженные в нее, нагревают и восстанавливают с помощью горелок, размещенных в области полного сжигания и области восстановления. Карусельная печь с восстановительной атмосферой конфигурирована так, что область восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси горелок составляет менее 0,98, занимает, по меньшей мере, 15% всей камеры сгорания, а концентрация кислорода в отработавшем газе сгорания на участке выхода отработавших газов из печи составляет 5% или менее.

В альтернативном варианте карусельная печь с восстановительной атмосферой конфигурирована так, что область восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси горелок составляет менее 0,96, занимает, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания, а концентрация кислорода в отработавшем газе сгорания на участке выхода отработавших газов из печи составляет 5% или менее.

В вышеуказанных конфигурациях восстановления, которое получают, когда отношение между количествами воздуха для горения и топлива, инжектируемыми из горелок, менее теоретической пропорции компонентов топливовоздушной смеси, достигают даже в области, в которой окислительное сгорание обычно считают достаточным, поскольку получают сильную восстановительную атмосферу. Таким образом, локально не выделяется избыточного кислорода, так что могут быть значительно уменьшены количества выделения и эмиссии оксидов азота. Кроме того, когда избыточный несгоревший газ, остающийся в печи после восстановления, сжигают для эффективного использования топлива, не подается чрезмерно большого количества кислорода для горения. В этом случае степень окисления отработавшего газа сгорания подавляется до низкого уровня, так что количество выделяемых оксидов азота может быть значительно уменьшено.

В настоящем изобретении несгоревший газ, остающийся в печи, полностью сжигают в области полного сжигания. Только воздух инжектируют в область полного сжигания или теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая с помощью горелок, расположенных в области полного сжигания, составляет 1,2 или более, а объем области полного сжигания составляет, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания. В этой конфигурации, когда избыточный несгоревший газ, остающийся в печи после восстановления, сжигают для эффективного использования топлива, может гарантироваться достаточная камера сгорания. Таким образом, температура локально не увеличивается, так что выделение оксидов азота может быть уменьшено.

Для предотвращения чрезмерного увеличения температуры средняя температура в области восстановления составляет менее 1350°С. В этом случае может подавляться выделение оксидов азота.

ЭФФЕКТЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением может быть подавлено выделение вредных оксидов азота в карусельной печи с восстановительной атмосферой, и в соответствии с этим может быть значительно уменьшено количество выпускаемых оксидов азота. По этой причине не требуется использования дорого денитрифицирующего устройства для очистки отработавших газов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - иллюстрация карусельной печи с восстановительной атмосферой, соответствующей настоящему изобретению.

Фиг.2 - график, иллюстрирующий изменения в количествах угарного газа и углекислого газа, выделяемых из исходных материалов (сырья) во всей камере сгорания в печи.

Фиг.3 - график, иллюстрирующий взаимосвязь между соотношением компонентов топливовоздушной смеси в области восстановления и отношением объема области восстановления ко всему объему камеры сгорания.

Фиг.4 - принципиальная схема карусельной печи с восстановительной атмосферой.

ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ НОМЕРОВ

1 - карусельная печь с восстановительной атмосферой

1a - загрузочное устройство

1b - разгрузочное устройство

2а - область полного сжигания

2b - область восстановления

3 - выпускной патрубок для выхода отработавших газов

4 - горелка

5 - горелка.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 иллюстрируется карусельная печь с восстановительной атмосферой, соответствующая настоящему изобретению. Для удобства описания карусельная печь с восстановительной атмосферой показана на линейно развернутом виде.

Конфигурация карусельной печи с восстановительной атмосферой, используемая в настоящем изобретении, подобна конфигурации стандартной карусельной печи с восстановительной атмосферой, иллюстрируемой на фиг.4. Оксид металла и восстановительное вещество смешивают и гранулируют, а затем гранулированные агломераты загружают в печь через загрузочное устройство. Агломераты нагревают в области полного сжигания. Нагретые агломераты подвергают конечному восстановлению в области восстановления и затем выгружают как восстановленный продукт из печи посредством разгрузочного устройства. Как область полного сжигания, так и область восстановления предусмотрена с горелкой в качестве устройства для сжигания или с воздушным соплом, размещенным в боковой стенке печи с восстановительной атмосферой. Восстановительный газ, генерируемый в области восстановления, проходит в направлении, противоположном направлению вращения агломератов, проходит через область полного сжигания и выпускается из выпускного патрубка для выхода отработавших газов. Топливо и воздух для горения подают к горелкам, размещенным в боковой стенке, и затем сжигают.

Пример 1

Таблица 1 В таблице 1 иллюстрируются примеры настоящего изобретения.   А В С D Е F Пропорция области восстановления (объемный коэффициент) 21% 10,5% 32% 25% 10,5% 10,5% Компоненты топливовоздушной смеси в области восстановления 0,8 0,76 0,96 0,97 0,9 1,02 Средняя температура в области восстановления 1260 1290 1280 1180 1320 1280 Пропорция всей площади камеры сгорания (объемный коэффициент) 0,29 0,15 0,32 0,25 0,15 15% Пропорция компонентов топливовоздушной смеси на всей площади камеры сгорания ∞ 1,72 ∞ ∞ 1,25 2,0 Количество промилей NOx в отработавшем газе (конвертированное до значения O₂=15%) 42 39 41 69 81 132 Концентрация кислорода в отработавшем газе камеры сгорания 2,0% 4,5% 3,0% 4,8% 2,0% 4,0%

На Фиг.2 приведен график, иллюстрирующий изменения в количествах угарного газа и углекислого газа, выделяемых из исходных материалов (сырья) во всей камере сгорания в печи.

В области полного сжигания (левая сторона на чертеже) угарный газ, проходящий из области восстановления, сгорает, постепенно уменьшаясь в количестве. После этого полностью сгоревший газ выпускают из выпускного патрубка для выхода отработавших газов. Область восстановления после области полного сжигания содержит выделяемый угарный газ, постепенно увеличивающийся в количестве, и становится восстановительной атмосферой. Количества угарного и углекислого газов, выделяемые из исходных материалов, уменьшаются в конце.

В Таблице 1 приведены данные количеств выпускаемых оксидов азота, измеряемых в различных рабочих условиях. Измерение проводили в рабочих условиях температуры области восстановления, составляющей менее 1350°С, и концентрации кислорода в отработавшем газе, составляющей 5% или менее.

На Фиг.3 приведен график, иллюстрирующий данные, полученные из соотношения между средней пропорцией компонентов топливовоздушной смеси в области восстановления и отношением объема области восстановления ко всему объему сгорания. Точки А - F данных на графике, приведенном на фиг.3, показывают, что чем выше отношение объема области восстановления и ниже теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси горелок, размещенных в области восстановления, тем меньше количество выпускаемых оксидов азота, и степени изменений имеют подобное соотношение.

Нормативное значение для подавления оксидов азота, которое относится к проблеме, решаемой посредством настоящего изобретения, было установлено до подобного значения, что и предел эмиссии NOx для доменных печей, которые являются типовыми техническими средствами для получения восстановленного железа подобно карусельным печам с восстановительной атмосферой. Более конкретно, нормативное количество для количества выпускаемых оксидов азота составляет 100 промилей при концентрации остаточного кислорода, составляющей 15%.

В соотношении между средней пропорцией компонентов топливовоздушной смеси в области восстановления и отношением объема области восстановления ко всему объему сгорания, условия, дающие концентрацию оксида азота, составляющую 100 промилей, могут быть просто определены из фиг.3.

В настоящем изобретении, условия, дающие концентрацию оксида азота, составляющую 100 промилей, и определенные из фиг.3, представлены следующими диапазонами: область восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, создаваемая всем устройством для сжигания, составляет менее 0,98, занимает, по меньшей мере, 15% всей камеры сгорания, а концентрация кислорода в отработавшем газе сгорания на участке выхода отработавшего газа из печи составляет 5% или менее; а область восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, создаваемая всем устройством для сжигания, составляет менее 0,96, занимает, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания.

Для предотвращения чрезмерного увеличения температуры в области восстановления среднюю температуру в области восстановления устанавливают менее 1350°С.

Кроме того, как показано в Таблице 1, несгоревший газ, остающийся в печи ((прим. пер.) в оригинале текста заявки на английском языке, вероятно, ошибочно написано «в будущем»), полностью сгорает в области полного сжигания, в которую инжектируют только воздух, или теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, создаваемая всем устройством для сжигания, составляет 1,2 или более, а область полного сжигания занимает, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания. В этом случае, когда избыточный несгоревший газ, остающийся в печи после восстановления, сжигают для эффективного использования топлива, может гарантироваться достаточная камера сгорания, так что может подавляться выделение оксидов азота.

Изобретение относится к печи с восстановительной атмосферой для получения восстановленного железа. Печь характеризуется наличием загрузочного и разгрузочного узлов, камеры сгорания с областью нагрева, областью восстановления и областью полного сжигания, устройства для сжигания в виде горелок, установленных в упомянутых областях в боковой стенки печи. При этом горелки выполнены с возможностью сжигания топливовоздушной смеси с обеспечением области восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая посредством всех горелок, составляет менее 0,98, занимающей, по меньшей мере, 15% всей камеры сгорания. И горелки выполнены с возможностью инжектирования воздуха в область полного сжигания, обеспечивающей концентрацию кислорода в отработавшем газе на участке выхода отработавших газов из печи, равной 5% или менее. Изобретение обеспечивает подавление выделения оксида азота и значительное уменьшение количества выбросов в окружающую среду. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа, характеризующаяся наличием загрузочного и разгрузочного узлов, камеры сгорания с областью нагрева, областью восстановления и областью полного сжигания, устройств для сжигания в виде горелок, установленных в упомянутых областях в боковой стенки печи, при этом для подавления выделения оксида азота горелки выполнены с возможностью сжигания топливовоздушной смеси с обеспечением области восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая посредством всех горелок, составляет менее 0,98, занимающей, по меньшей мере, 15% всей камеры сгорания, и горелки выполнены с возможностью инжектирования воздуха в область полного сжигания, обеспечивающей концентрацию кислорода в отработавшем газе на участке выхода отработавших газов из печи, равную 5% или менее.

2. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа, характеризующаяся наличием загрузочного и разгрузочного узлов, камеры сгорания с областью нагрева, областью восстановления и областью полного сжигания, устройств для сжигания в виде горелок, установленных в упомянутых областях в боковой стенки печи, при этом для предотвращения локального выделения чрезмерного кислорода и подавления выделения оксида азота горелки выполнены с возможностью сжигания топливовоздушной смеси с обеспечением области восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая посредством всех горелок, составляет менее 0,96, занимающей, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания, и горелки выполнены с возможностью инжектирования воздуха в область полного сжигания, обеспечивающей концентрацию кислорода в отработавшем газе на участке выхода отработавших газов из печи, равную 5% или менее.

3. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа по п.1, в которой несгоревший газ, остающийся в печи, полностью сгорает в области полного сжигания, в которую инжектируется только воздух, или теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая с помощью всего устройства для сжигания, составляет 1,2 или более, а область полного сжигания занимает, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания.

4. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа по п.2, в которой несгоревший газ, остающийся в печи, полностью сгорает в области полного сжигания, в которую инжектируется только воздух, или теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая с помощью всего устройства для сжигания, составляет 1,2 или более, а область полного сжигания занимает, по меньшей мере, 10% всей камеры сгорания.

5. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа по п.1, в которой средняя температура в области восстановительного сгорания составляет менее 1350°С.

6. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа по п.2, в которой средняя температура в области восстановительного сгорания составляет менее 1350°С.

7. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа по п.3, в которой средняя температура в области восстановительного сгорания составляет менее 1350°С.

8. Карусельная печь с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа по п.4, в которой средняя температура в области восстановительного сгорания составляет менее 1350°С.

9. Способ нагрева и восстановления оксида металла в карусельной печи с восстановительной атмосферой противоточного нагревательного типа, в котором нагрев и восстановление осуществляют при использовании восстановительного вещества, которое подают устройствами для сжигания в виде горелок, размещенными в камере сгорания с областью нагрева, областью восстановления и областью полного сжигания, при этом для подавления выделения оксида азота осуществляют сжигание топливовоздушной смеси с обеспечением области восстановления, в которой теоретическая пропорция компонентов топливовоздушной смеси, получаемая посредством всех горелок, составляет менее 0,98, занимающей, по меньшей мере, 15% всей камеры сгорания, инжектируют воздух в область полного сжигания с обеспечением концентрации кислорода в отработавшем газе на участке выхода отработавших газов из печи, равной 5% или менее.