СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C21B13/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам для прямого восстановления частиц оксида железа до твердых частиц, содержащих, главным образом, металлическое железо, при помощи рециркулированных и регенерированных горячих восстанавливающих газов. Наиболее часто, горячие восстановленные частицы охлаждают с помощью рециркулирующего охлаждающего газа с природным газом, добавленным для получения охлаждающего газа.

Уровень техники

Настоящее изобретение направлено на прямое восстановление частиц оксида железа, чтобы получить железо, восстановленное прямым способом (ЖВПС), также известное в промышленности как губчатое железо. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на усовершенствования способов и оборудования, используемого для возвращения охлаждающего газа в зону охлаждения реактора прямого восстановления.

В течение почти пятидесяти лет промышленного производства ЖВПС (DRI) восстанавливающие и охлаждающие газы рециркулировались посредством больших и дорогих компрессоров.

В настоящем изобретении обычный компрессор, примененный для циркуляции потока охлаждающего газа через нижнюю часть реактора прямого восстановления предпочтительно заменен или, по меньшей мере, дополнен, по меньшей мере, одним газовым эжектором, что неожиданно привело к ранее неизвестным и очень эффективным техническим и экономическим преимуществам. Как будет более подробно показано ниже, результатом является экономия миллионов долларов при сокращении больших первоначальных капитальных затрат, а также при значительном уменьшении эксплуатационных расходов электрической энергии и расходов на обслуживание.

Процессы прямого восстановления в настоящее время применяются в сталелитейной промышленности как альтернатива доменным печам, главным образом в регионах, где доступен природный газ, и желательны относительно небольшие сталелитейные заводы. Способы типа прямого восстановления с подвижным слоем проиллюстрированы в патентах US №№4049440, 4556417, 5858057, 5110350, 5437708 и 6319301. В данных способах железосодержащие частицы в форме гранул, глыб или их смесей загружают в зону восстановления в верхней части реактора восстановления с подвижным слоем шахтного типа, где оксиды железа частиц руды химически восстанавливаются до металлического железа с помощью высокотемпературного восстанавливающего газа. Восстановленные и металлизировавшие частицы железа или ЖВПС (железо, восстановленное прямым способом) при температуре выше примерно 800°С выгружают из указанного реактора восстановления через зону охлаждения в его нижней части, где обычно их охлаждают примерно до температуры окружающей среды, чтобы предотвратить повторное окисление ЖВПС при выгрузке и контакте с воздухом. К этому моменту неокисляющий газовый поток циркулирует в контуре охлаждения, включающем зону охлаждения реактора, охладитель газа для удаления тепла, полученного охлаждающим газом от горячего ЖВПС, компрессор охлаждающего газа для возвращения основной части указанного охлаждающего газа обратно в указанную зону охлаждения и подходящую систему соединительных трубопроводов и средств контроля для непрерывной работы указанного контура охлаждающего газа. Обычно газ, применяемый в качестве охлаждающей среды, представляет собой природный газ, смешанный с восстанавливающим газом, содержащим водород и монооксид углерода. Даже если в качестве охлаждающего газа через зону охлаждения циркулирует чистый природный газ, углеводороды, присутствующие в природном газе (метан, этан, пропан, ароматические соединения и т.д.), будут находиться в некотором соотношении, зависящем от температур и времени взаимодействия, частично превращаться в водород и монооксид углерода из-за каталитического действия ЖВПС при температурах, с которыми сталкивается указанный охлаждающий газ в зоне охлаждения.

Газовые эжекторы в настоящее время применяются в разных производственных процессах и на заводах для перемещения газовых потоков. Некоторые примеры предложенных применений эжекторов описаны ниже.

Выложенные заявки на патенты DE №№4010602 и DE 4010603 описывают способ получения аммиака, в котором применяется эжектор для возвращения газового потока, с использованием газового потока более высокого давления из того же процесса. Хотя способы, раскрытые в данных заявках, являются разными способами, в них вместо компрессора используется эжектор для повышения давления газа так, чтобы он мог быть подан на первые стадии процесса.

Патент US 6508998, выданный Nasato, раскрывает применение эжектора на установке Клауса для извлечения серы из газа, содержащего сульфид водорода Эжектор 46 применяют для возвращения в горелку реактора окисления части газового потока из сосудов окисления и регенерации тепла. Движущая текучая среда для эжектора может быть выбрана из пара, воздуха, азота, диоксида углерода, диоксида серы или других аналогичных газов.

Патент US 6818198, выданный Singh и др., раскрывает автотермический процесс риформинга, в котором часть полученного синтез-газа возвращают в установку риформинга, используя эжектор 124, в котором поток движущей текучей среды представляет собой смесь углеводорода и пара. В данном случае эжектор также служит смесителем сырьевого газа для установки риформинга и возвращенного полученного синтез-газа. Возвращение синтез-газа повышает долю водорода в полученном газе.

Патент US 4325731, выданный 20 апреля 1982 г. (с датой приоритета от 1979 г.), является единственным известным заявителю и его представителю, который предлагает какое-либо применение эжектора в сочетании с реактором восстановления ЖВПС. Этот патент ничего не говорит относительно какого-либо охлаждения ЖВПС.

В этом патенте только упомянут эжектор 7, применяющий продукты 6 газогенератора в качестве движущего газа, чтобы смешивать и питать установку 10 риформинга очищенным обедненным восстанавливающим газом 8 из реактора 12 восстановления. Эти признаки не заявлены в формуле изобретения. Очевидно, что даже предложенное применение эжекторов оказалось не применимым (для возвращения восстанавливающего газа). Вопреки предложению, сделанному в данной ссылке четверть века назад, заявителю и его представителю не известно, чтобы это предложение было когда-либо промышленно осуществлено или проверена его эффективность или полезность так, как предложено в заявке.

В этом патенте вообще отсутствует упоминание о применении эжектора в контуре повторного цикла охлаждающего газа установки восстановления ЖВПС, и из патента еще менее можно ожидать описания преимуществ, достигаемых от этого; особенно включая способность использовать преимущества снабжения природным газом под высоким давлением, который поставляется из внешних промышленных источников и, таким образом, существует как «бесплатный» источник движущей энергии. Несмотря на то что сжатый природный газ применяется в качестве источника сырья на промышленных установках ЖВПС в течение почти 50 лет, он никогда прежде не был использованным таким образом для достижения преимуществ.

Следует заметить, что данный объем природного газа после того, как был подвергнут конверсии, дает газ, который увеличивается в объеме в четыре раза. Таким образом, если объем газа, поданного в качестве свежего сырья в контур восстанавливающего газа на промышленной установке ЖВПС, является недостаточным, чтобы заставить циркулировать восстанавливающий газ повторного цикла с помощью электрода, то этот недостаток был бы еще больше, если добавка представляет собой в разы меньший объем не подвергнутого конверсии природного газа. Все же, заявитель неожиданно обнаружил, что объем добавки, даже в форме природного газа, если его подают в зону охлаждения, является достаточным, чтобы эжектор(ы) мог(могли) заменить компрессор, применяемый в контуре повторного цикла охлаждающего газа. Другое обстоятельство, которое должно быть предусмотрено для возможности осуществления подачи в зону охлаждения, состоит в том, что давление, необходимое для того, чтобы приводить в движение газ повторного цикла в контуре охлаждающего газа, составляет обычно на порядок меньше, чем одна пятая от того давления, которое необходимо для того, чтобы привести в движение газ повторного цикла в контуре восстанавливающего газа. Контур охлаждающего газа, по существу, имеет только зону охлаждения и охладитель/скруббер, в то время как контур восстанавливающего газа, кроме того, будет, по меньшей мере, иметь также нагреватель и/или установку риформинга (см. 10 в патенте '731).

Документы, процитированные в данном описании (включая предшествующие патенты), и все документы, процитированные или включенные в качестве ссылок в документах, процитированных в данном описании, включены в описание в качестве ссылки. Документы, включенные в качестве ссылки в данное описание, или любые раскрытия, сделанные в них, могут применяться в практике данного изобретения.

Таким образом, настоящее изобретение преодолевает несколько недостатков, существующих в предшествующем уровне техники в производстве ЖВПС, впервые применяя эжектор в контуре охлаждения, и впервые за почти 50-летнее промышленное производство ЖВПС высокое давление обычно имеющегося в наличии сырьевого стандартного природного газа применяется в качестве движущей силы для эжектора, чтобы перемешивать и приводить в движение любой газ повторного цикла. Данное изобретение при применении эжектора(ов) заменяет обычный большой механический компрессор для циркуляции охлаждающего газа или, в существующих сооружениях, по крайней мере, оказывает относительно недорогую поддержку такому компрессору и, таким образом, дополнительно позволяет избежать капитальных и эксплуатационных расходов, которые более не являются необходимыми, на значительно более дорогой резервный или дополнительный компрессор.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на способ для восстановления оксидов железа в железных рудах до металлического железа (ЖВПС) в твердом состоянии в реакторе с движущимся слоем с помощью высокотемпературного восстанавливающего газа, в котором ЖВПС, полученное в зоне восстановления, охлаждают в зоне охлаждения реактора или в отдельной охлаждающей емкости при контактировании с потоком охлаждающего газа, который возвращают в указанную зону охлаждения посредством эжектора, предпочтительно используя движущую силу, полученную от существующего потока природного газа высокого давления, подаваемого в качестве свежей добавки к потоку охлаждающего газа повторного цикла.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для прямого восстановления железных руд со значительным сокращением капитальных и эксплуатационных расходов по сравнению с существующими способами и устройствами для изготовления ЖВПС.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для прямого восстановления железных руд, которые требуют менее дорогого оборудования и меньшего количества электрической энергии, чем другие подобные способы, которые используют в настоящее время.

Указанные цели настоящего изобретения достигнуты созданием способа получения железа, восстановленного прямым способом (ЖВПС), в реакторе восстановления, включающем зону восстановления в верхней части и зону охлаждения в нижней части; причем контур восстанавливающего газа включает указанную зону восстановления, а контур охлаждающего газа включает указанную зону охлаждения и эжектор для возвращения охлаждающего газа в указанную зону охлаждения; где указанный способ включает подачу частиц, содержащих оксиды железа, в указанную зону восстановления; восстановление указанных оксидов железа до металлического железа в указанной зоне восстановления реакцией указанных оксидов железа с высокотемпературным восстанавливающим газом, включающим водород и монооксид углерода, для получения указанного ЖВПС; подачу указанного ЖВПС в указанную зону охлаждения; циркуляцию потока охлаждающего газа через указанную зону охлаждения, для охлаждения указанного ЖВПС; удаление, по меньшей мере, части указанного охлаждающего газа из указанной зоны охлаждения; охлаждение указанного удаленного охлаждающего газа; подачу в качестве движущей текучей среды к указанному эжектору газового потока под высоким давлением, а в качестве движимой текучей среды, по меньшей мере, части указанного охлаждающего газа и выгрузку ЖВПС из указанной зоны охлаждения.

Более широко, движущая текучая среда для эжектора может представлять собой природный газ или другой, выбранный из любого сжатого инертного или восстанавливающего, совместимый со способом прямого восстановления.

Цели настоящего изобретения достигнуты также с помощью устройства для получения ЖВПС, включающего реактор восстановления, имеющий зону восстановления в верхней части и зону охлаждения в нижней части; средства для загрузки частиц, содержащих оксиды железа в указанную зону восстановления, где указанные оксиды железа восстанавливаются до металлического железа при реагировании указанных оксидов железа с высокотемпературным восстанавливающим газом, включающим водород и монооксид углерода для получения указанного ЖВПС; средства для циркуляции потока охлаждающего газа в контуре охлаждающего газа, включающем указанную зону охлаждения для охлаждения указанного ЖВПС; средства для отбора, по меньшей мере, части указанного охлаждающего газа из указанной зоны охлаждения; средства для охлаждения указанного отобранного охлаждающего газа; эжектор для возвращения части указанного охлажденного охлаждающего газа в указанную зону охлаждения при помощи подачи в качестве движущей текучей среды к указанному эжектору потока газа под высоким давлением, а в качестве движимой текучей среды, по меньшей мере, части указанного охлаждающего газа и средства для выгрузки ЖВПС из указанной зоны охлаждения.

В качестве варианта настоящего изобретения, способ и устройство для восстановления железных руд до металлического железа (ЖВПС) включают, по меньшей мере, один эжектор, установленный параллельно с компрессором охлаждающего газа (особенно для модернизации существующих сооружений), в соответствии с которым эжектор применяют, когда указанный компрессор охлаждающего газа недоступен или отключен для обслуживания (или наоборот). В качестве еще одного варианта, два эжектора установлены параллельно и работают при необходимости вместе, поочередно или при поддержке одного другим.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является схематическим представлением первого варианта воплощения способа прямого восстановления согласно настоящему изобретению, в котором восстанавливающий газ, прошедший через зону восстановления, получен в установке риформинга, а очищенный и охлажденный охлаждающий газ повторного цикла отведен обратно в зону охлаждения реактора восстановления с помощью эжектора, при использовании стандартного природного газа высокого давления в качестве движущего газового потока.

Фиг.2 является схематическим представлением варианта воплощения способа прямого восстановления согласно настоящему изобретению, также применяющего эжектор в контуре охлаждающего газа, но отличающегося от способа, представленного на фиг.1, конфигурацией контура восстанавливающего газа (газовый поток, исходящий из зоны восстановления, возвращают назад в указанную зону восстановления, пропуская через установку риформинга природного газа).

Фиг.3 является схематическим представлением варианта воплощения способа прямого восстановления согласно настоящему изобретению, также применяющего эжектор в контуре охлаждающего газа, но отличающегося от способов, представленных на фиг.1 и фиг.2, конфигурацией контура восстанавливающего газа (часть исходящего из реактора восстановления потока восстанавливающего газа возвращают назад в указанную зону восстановления через установку риформинга, а другую часть возвращают через нагреватель).

Фиг.4 является схематическим представлением подобного варианта воплощения способа прямого восстановления согласно настоящему изобретению, также применяющего эжектор в контуре охлаждающего газа, но отличающегося от способов, представленных на фиг.1-3, конфигурацией контура восстанавливающего газа (не используют никакой установки риформинга при риформинге природного газа).

Осуществление изобретения

Ссылки к фигурам приведены таким образом, что одинаковые позиции обозначают аналогичные элементы на всех фигурах.

Обратимся к фиг.1; поз.10 обозначает реактор восстановления в целом, имеющий зону 12 восстановления в верхней части и зону 14 охлаждения в его нижней части. Природный газ, подаваемый из подходящего источника 16, подают по трубопроводу 18 с паром и/или СО₂ из источника 20 в установку 22 риформинга, где углеводороды (главным образом, метан), присутствующие в указанном природном газе, реагируют с водой/СО₂, чтобы образовать водород и монооксид углерода в присутствии никелевого катализатора. Подвергнутый риформингу газ добавляют по трубопроводу 24 (после рекуперации тепла и охлаждения, не показанных для простоты) в контур повторного цикла восстанавливающего газа, объединяя свежий подвергнутый риформингу газ, полученный автономно, с восстанавливающим газом, возвращаемым по трубопроводу 26. Объединенный таким образом поток нагревают до температуры выше примерно 850°С в нагревателе 28. Получающийся горячий расширенный восстанавливающий газ повторного цикла подают по трубопроводу 30 в зону 12 восстановления, где он контактирует с частицами 32 железной руды, поданными в верхнюю часть указанной зоны 12 восстановления, и восстанавливает их до ЖВПС. Прореагировавший остаточный восстанавливающий газ отбирают в качестве исходящего потока с пониженной восстанавливающей способностью из указанной зоны 12 восстановления по трубопроводу 46 и подают в теплообменник 48, в котором он передает тепло воде 50, чтобы образовать пар 52. Данный пар 52 может применяться в других частях установки восстановления, например в системе 54 для удаления СО₂, выводимого по трубопроводу 56. После прохождения через теплообменник 48 восстанавливающий газ протекает по трубопроводу 58 в охладитель 60, обычно прямого контактного типа. Там данный газ контактирует с холодной водой, в результате чего полученную побочно в реакциях восстановления горячую воду в зоне 12 конденсируют и отделяют от восстанавливающего газа. Часть охлажденного восстанавливающего газа выпускают из системы через трубопровод 62 и управляющий клапан 64, реагирующий на давление. Данный выпущенный по трубопроводу 62 восстанавливающий газ может применяться как топливо, которое будет подаваться, по меньшей мере, как часть источника 17 по линии 19, чтобы нагревать установку риформинга 22, и/или, как один из вариантов, подаваться, чтобы нагревать газонагреватель 28 (вариант не показан, для простоты). Главная часть охлажденного восстанавливающего газа протекает по трубопроводу 66 и сжимается компрессором 68 для возвращения, в конечном счете, назад в зону 12 восстановления. Сжатый восстанавливающий газ повторного цикла подают по трубопроводу 70 в систему 54 удаления СО₂, обычно систему химического поглотительного типа, в которой диоксид углерода абсорбируют жидким потоком, содержащим амины. В некоторых случаях эта система 54 удаления СО₂ может быть системой физического адсорбционного типа, известной, как адсорбция при разности давлений (АРД) или адсорбция при разности вакуума (АРВ). Восстанавливающий газ повторного цикла с пониженными количествами воды и диоксида углерода нагревают в нагревателе 28 до температуры выше примерно 850°С до того, как его подают назад в зону 12 восстановления. Горячий восстанавливающий газ может быть объединен с углеводородом из источника 34 через трубопровод 36, снабженный управляющим клапаном 38, и кислородом из источника 40 через трубопровод 42 и клапан 44 для дальнейшего повышения его температуры до уровней выше примерно 1000°С и, в то же время, для проведения частичного окислительного риформинга углеводородов, повышая, таким образом, восстановительную способность восстанавливающего газа повторного цикла.

Обратимся теперь к контуру охлаждающего газа; природный газ высокого давления из источника 72 подают по трубопроводу 76 и клапан 78 в качестве движущей текучей среды в эжектор 80. Часть охлаждающего газа повторного цикла в трубопроводе 90 регулируют с помощью клапана 92 и возвращают с помощью эжектора 80 назад в зону охлаждения 14 по трубопроводу 82. После охлаждения ЖВПС в зоне охлаждения нагретый охлаждающий газ отбирают через трубопровод 84, снова охлаждают в охладителе/скруббере 86 и подают в эжектор(ы) по трубопроводу 88.

Использование природного газа в качестве движущей текучей среды для эжектора(ов) в данном предпочтительном способе обеспечивает значительные преимущества.

Охлажденный газ повторного цикла на действующих установках получения ЖВПС преждевременно нагревается механическим сжатием применяемыми компрессорами; этого избегают, когда компрессор заменен эжектором(ами); поэтому вторичный охладитель, который обычно связан с компрессорами, устранен, уменьшая далее, таким образом, как капитальные, так и эксплуатационные расходы и, в то же время, улучшая параметры процесса.

Когда углеводороды, присутствующие в природном газе, контактируют с горячим ЖВПС в зоне охлаждения 14, часть указанных углеводородов подвергается крекингу и разлагается до более простых молекул и, в конце концов, до водорода и монооксида углерода. Поскольку реакции крекинга являются эндотермическими, подача природного газа в зону охлаждения вносит положительный вклад в охлаждение ЖВПС.

Механические компрессоры представляют собой дорогое оборудование и требуют дорогостоящего обслуживания, поэтому замена механического компрессора на эжекторы экономит значительные капитальные и эксплуатационные расходы данного процесса. Для новой установки настоящее изобретение обеспечивает снижение капитальных затрат порядка 1 миллиона долларов, которые являются предполагаемой стоимостью компрессора. Стоимость эжекторов подобной производительности составляет порядка 10 тысяч долларов. Поэтому эксплуатация и обслуживание установки прямого восстановления в соответствии с настоящим изобретением значительно упрощаются.

В другом предпочтительном варианте воплощения изобретения в качестве меры безопасности предлагается второй эжектор 94 в качестве резервной копии первого, чтобы гарантировать непрерывность эксплуатации процесса. Эжектор 94 связан с источником 72 движущего газа посредством трубопровода 74. Поочередную эксплуатацию эжекторов 80 и 94, если требуется, осуществляют с помощью клапанов 78, 98, 92 и 96 для того, чтобы изолировать один из эжекторов. Если желательна большая производительность по возвращаемому газу, чем производительность одного эжектора, возможно одновременно эксплуатировать оба эжектора и управлять количеством возвращаемого охлаждающего газа с помощью соответствующего манипулирования клапанами 78 и 98 (которые регулируют скорость потока движущей текучей среды к соответствующим эжекторам).

Часть охлаждающего газа, циркулирующего по контуру охлаждающего газа, может использоваться в качестве топлива в газонагревателе 28 посредством трубопровода 37 и клапана 39 (и/или чтобы нагревать установку риформинга 22, см., например, фиг.2 и 3).

На фигурах пунктирными линиями показаны механический компрессор 89 и соединительный трубопровод 99, чтобы указать, что в другом варианте воплощения изобретения, применимого к существующим установкам, охлаждающий компрессор может быть соединен параллельно с эжектором(ами), но предпочтительно работает под управлением регулирующего клапана 100, с более низкой производительностью или периодически, если необходимо. Экономия эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание будут также достигнуты, даже если эжекторы 80 и 94 используются только периодически.

При модифицировании существующей установки данный компрессор может функционировать в качестве резерва, таким образом, необходимо установить только один эжектор (в зависимости от требований по производительности).

В другом варианте воплощения настоящего изобретения эжектор может быть установлен на существующую установку, уже работающую с механическим компрессором в контуре охлаждения, чтобы увеличить производительность охлаждения зоны восстановления и, следовательно, производительность установки.

В другом варианте воплощения настоящего изобретения могут быть установлены два эжектора различной производительности. Такая компоновка допускает гибкость при эксплуатации установки. Например, первый эжектор может быть спроектирован в 75% от предварительно намеченной производительности по расходу, а второй эжектор может быть спроектирован в 25% от предварительно намеченной производительности по расходу. При такой компоновке производительность повторного цикла может быть установлена в 100% от предварительно намеченной производительности по расходу, если оба эжектора работают одновременно, 75% от производительности повторного цикла, если второй эжектор выключен, и 25% от производительности повторного цикла, если выключен первый эжектор. Следует понимать, что может быть выбрано много других комбинаций для двух или трех эжекторов и увеличения диапазона эксплуатационной производительности, если это необходимо.

В дальнейшем варианте воплощения настоящего изобретения, по меньшей мере, один эжектор установлен параллельно с компрессором охлаждающего газа и соединен с ним с целью минимизации непроизводительного времени и, следовательно, производственных потерь вследствие отключения установки из-за проблем компрессора контура охлаждения. В таких случаях работа эжектора(ов) позволит продолжать производство, пока компрессор ремонтируют.

Обратимся теперь к фиг.2; вариант воплощения, показанный там, подобен способу прямого восстановления, представленного на фиг.1, за исключением того, что природный газ из источника 16 добавляют до риформинга непосредственно к охлажденному исходящему из зоны 12 восстановления потоку восстанавливающего газа повторного цикла, и исходящий поток, все еще содержащий значительные количества СО₂ (в дополнение к некоторому количеству Н₂О), подают по трубопроводу 26' в действующую установку 22 каталитического риформинга, чтобы получить восстанавливающий расширенный газ повторного цикла (состоящий теперь, главным образом, из восстанавливающих газов Н₂ и СО). Трубопровод 37 на данной фиг.2 может применяться, чтобы подавать часть охлаждающего газа в качестве топлива для установки 22 риформинга (которая функционирует также в качестве нагревателя для восстанавливающего газа повторного цикла). Зона охлаждения и компоновка эжекторов 80 и 94 является такой же, как показано на фиг.1.

Вариант воплощения, показанный на фиг.3, включает как действующую установку 22 каталитического риформинга, так и отдельный дополнительный нагреватель 28, работающий параллельно. Обедненный восстанавливающий газ, отобранный в позиции 46 из зоны 12 восстановления, после охлаждения и очистки в позиции 60 и сжатия в позиции 68 разделяют; причем одну часть рециклируют по линиям 25 и 26 из теплообменника 48 и возвращают через нагреватель 28 в зону 12 восстановления по линии 30, а другую часть рециклируют по линии 71 через установку 22 риформинга и затем возвращают в зону 12 восстановления по линиям 29 и 30. Добавка углеводородного газа может подаваться из источников 16, 34' в установку 22 риформинга или в нагреватель 28, соответственно (при необходимости), через управляющие клапаны 18, 38'. Источник природного газа/углеводородного газа на всех фигурах (включая источники 16, 17, 34, 34' и 72) необязательно может быть одним и тем же источником. Зона охлаждения и компоновка эжекторов 80 и 94 является такой же, как показано на фиг.1.

Способ прямого восстановления, проиллюстрированный на фиг.4, не имеет установки каталитического риформинга для получения восстанавливающего газа. Вместо этого конверсию углеводорода проводят, главным образом, в пределах реактора 10 реакцией с паром из увлажнителя 61, запускаемой каталитическим действием ЖВПС и частицами, содержащими оксиды железа, присутствующими в зоне 12 восстановления. Природный газ и/или другой газ углеводородного состава для такого преобразования могут быть добавлены или из источника 34, или из 34' (управляемых при необходимости клапанами 38, 38', соответственно). Температуру очищенного и увлажненного восстанавливающего газа повторного цикла, очищенного от СО₂ в позиции 54, преимущественно сначала поднимают пропусканием через теплообменник 48 и связанные с ним трубопроводы 25' и 26, затем увеличивают в нагревателе 28 до температуры выше примерно 850°С и, наконец, объединяют газ в линии 30 с газом, содержащим свободный кислород из источника 40 для того, чтобы еще более увеличить температуру до более чем примерно 1000°С с помощью происходящего частичного сгорания углеводородов и т.п., содержавшихся в таком восстанавливающем расширенном газе повторного цикла. Часть охлаждающего газа может быть передана из контура охлаждающего газа для питания газонагревателя 28 посредством трубопровода 37, имеющего клапан 39, чтобы регулировать расход переданного газа.

Зона охлаждения и компоновка эжекторов 80 и 94 является такой же, как показано на фиг.1.

Пример 1

Компрессор охлаждающего газа в установке прямого восстановления с вариантом воплощения способа, показанным на фиг.1, был заменен на эжектор, использующий в качестве движущего газа поток природного газа, поданного при абсолютном давлении 12 кг/см² и при температуре 25°С. Расход природного газа, поданного в эжектор, составлял 175 нм³/ч на метрическую тонну полученного Fe. Состав природного газа был: 1,6% Н₂; 1,1% СO₂; 93,3% СН₄; 0,5% N₂; 2,7% С₂Н₆ и 0,8% С₃Н₈. Расход охлаждающего газа повторного цикла следующего состава: 9,266% Н₂; 0,129% СО; 0,207% СO₂; 89,089% СH₄; 0,474% N₂ и 0,836% Н₂O, поступающего в эжектор, составлял 301 нм³/ч на метрическую тонну полученного Fe при абсолютном давлении 4,65 кг/см².

Поток охлаждающего газа, исходящий из эжектора при абсолютном давлении 5,25 кг/см² и имеющий следующий состав: 6,448% Н₂; 0,082% СО; 0,535% СO₂; 90,637% СН₄; 0,484% N₂; 0,529% Н₂O; 0,993% С₂Н₆ и 0,294% С₃Н₈, поступал в зону охлаждения при расходе 476 нм³/ч на тонну полученного Fe при температуре 27°С. Экономия электрической энергии составляет примерно 4 кВт-ч/метрическую тонну полученного Fe. Дальнейшая экономия в тысячи долларов является следствием устранения ненужного обслуживания и запасных частей, таких как фильтры и смазочные материалы, требуемых для применявшегося прежде механического компрессора.

Настоящее изобретение было описано относительно некоторых предпочтительных вариантов воплощения, но специалисты в данной области техники будут способны рассмотреть другие варианты и модификации, которые находятся в рамках настоящего изобретения, объем которого должен быть установлен из следующей формулы изобретения.

Изобретение относится к прямому восстановлению частиц оксида железа, чтобы получить железо, восстановленное прямым способом (ЖВПС). Восстановление осуществляют в реакторе восстановления, имеющем зону восстановления и зону охлаждения, контур повторного цикла восстанавливающего газа, включающий зону восстановления, и контур повторного цикла охлаждающего газа, включающий зону охлаждения. Частицы, содержащие оксид железа, подают в зону восстановления, восстанавливают их до ЖВПС, содержащего металлическое железо, горячее ЖВПС подают в зону охлаждения, через которую в контуре повторного цикла охлаждающего газа циркулирует охлаждающий газ для охлаждения ЖВПС, и, по меньшей мере, часть охлаждающего газа выводят из зоны охлаждения, охлаждают и очищают, смешивают с потоком сжатого свежего газа, совместимого со способом прямого восстановления, и рециркулируют по контуру повторного цикла охлаждающего газа обратно в зону охлаждения. Охлажденное ЖВПС выгружают из зоны охлаждения. Рециркуляцию охлаждающего газа в контур повторного цикла охлаждающего газа осуществляют, по меньшей мере, одним эжектором, приводимым в действие потоком высокого давления свежего газа в качестве движущей силы указанного эжектора. Применение эжектора для рециркуляции охлаждающего газа обеспечивает значительную экономию электричества и капитальных, эксплуатационных затрат и затрат на обслуживание. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Способ получения железа, восстановленного прямым способом (ЖВПС), в реакторной установке восстановления, имеющей зону восстановления и зону охлаждения, контур повторного цикла восстанавливающего газа, включающий указанную зону восстановления, и контур повторного цикла охлаждающего газа, включающий указанную зону охлаждения, в котором частицы, содержащие оксид железа, подают в указанную зону восстановления, восстанавливают их до ЖВПС, содержащего металлическое железо, в указанной зоне восстановления путем реакции с высокотемпературным восстанавливающим газом, включающим водород и монооксид углерода, циркулирующим в указанном контуре повторного цикла восстанавливающего газа, горячее ЖВПС подают в указанную зону охлаждения, через которую в указанном контуре повторного цикла охлаждающего газа циркулирует охлаждающий газ для охлаждения указанного ЖВПС, и, по меньшей мере, часть указанного охлаждающего газа выводят из указанной зоны охлаждения, охлаждают и очищают, смешивают с потоком сжатого свежего газа, совместимого со способом прямого восстановления, и рециркулируют по контуру повторного цикла охлаждающего газа обратно в указанную зону охлаждения, а охлажденное ЖВПС выгружают из указанной зоны охлаждения, отличающийся тем, что рециркуляцию охлаждающего газа в указанный контур повторного цикла охлаждающего газа осуществляют, по меньшей мере частично, по меньшей мере, одним эжектором, приводимым в действие потоком высокого давления свежего газа в качестве движущей силы указанного эжектора.

2. Способ по п.1, в котором горячее ЖВПС передают из одной емкости, содержащей указанную зону восстановления, в отдельную емкость, содержащую указанную зону охлаждения.

3. Способ по п.1, в котором зона восстановления и зона охлаждения находятся в одной емкости, которая представляет собой реактор с движущимся слоем, и горячее ЖВПС передают из верхней зоны восстановления в нижнюю зону охлаждения.

4. Способ по п.1, в котором указанный поток высокого давления включает природный газ.

5. Способ по п.3, в котором указанный поток высокого давления включает природный газ.

6. Способ по п.3, в котором указанный поток высокого давления включает инертный газ.

7. Способ по п.5, в котором указанную рециркуляцию охлаждающего газа осуществляют полностью посредством нескольких эжекторов, установленных параллельно.

8. Способ по п.7, в котором указанные эжекторы представляют собой пару эжекторов, работающую одновременно.

9. Способ по п.7, в котором рециркуляцию охлаждающего газа выполняют одним из пары эжекторов, в то время как другой эжектор находится в резерве.

10. Способ по п.5, в котором рециркуляцию охлаждающего газа выполняют множеством эжекторов, имеющих различные производительности по расходу.

11. Способ по п.5, в котором рециркуляцию охлаждающего газа осуществляют частично посредством единственного эжектора и частично также посредством компрессора, установленных параллельно.

12. Способ по п.5, в котором параллельно, по меньшей мере, одному эжектору установлен компрессор, причем компрессор и любой эжектор применяют отдельно один от другого при рециркуляции охлаждающего газа.

13. Устройство для получения железа, восстановленного прямым способом (ЖВПС), включающее реактор восстановления, имеющий зону восстановления в верхней части и зону охлаждения в нижней части, средства для загрузки частиц, содержащих оксид железа, в указанную зону восстановления, средства для циркуляции высокотемпературного восстанавливающего газа, включающего водород и монооксид углерода, через указанную зону восстановления для восстановления в ней частиц оксида железа с получением горячего ЖВПС, контур повторного цикла охлаждающего газа, включающий в качестве элементов указанную зону охлаждения для охлаждения указанного горячего ЖВПС, охлаждающий скруббер для охлаждения исходящего потока газа, поступающего по трубопроводу из зоны охлаждения по указанному контуру, по меньшей мере, один эжектор для возвращения, по меньшей мере, части указанного охлажденного и очищенного охлаждающего газа обратно в указанную зону охлаждения, источник свежего газа высокого давления, совместимого со способом прямого восстановления и поступающего по трубопроводам к каждому указанному эжектору, служащий в качестве движущей текучей среды для каждого соответствующего эжектора, и систему трубопроводов для соединения этих элементов контура повторного цикла охлаждающего газа, и средства для выгрузки охлажденного ЖВПС из указанной зоны охлаждения.

14. Устройство по п.13, дополнительно включающее несколько эжекторов, связанных с указанным контуром повторного цикла охлаждающего газа, для функционирования в качестве единых средств для приведения в движение охлаждающего газа в контуре повторного цикла охлаждающего газа, причем каждый эжектор, соответственно, связан с указанным источником указанной движущей текучей среды.

15. Устройство по п.14, в котором указанные эжекторы представляют собой пару эжекторов, установленную параллельно.

16. Устройство по п.15, в котором указанные эжекторы имеют различную производительность по расходу.

17. Устройство по п.15, в котором указанные эжекторы оснащены клапанами, позволяющими данным эжекторам функционировать одновременно или поочередно.

18. Устройство по п.13, дополнительно включающее компрессор, подводящий охлаждающий газ к указанному контуру повторного цикла охлаждающего газа, параллельно с указанным эжектором.

19. Устройство по п.13, в котором источником газа служит природный газ.