СПОСОБ И СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗА ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ И/ИЛИ ЖИДКОГО ЧУГУНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БУРОГО УГЛЯ Российский патент 2015 года по МПК C21B11/00 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка на патент притязает на приоритет согласно предварительной заявке на патент США №61/423173, зарегистрированной 15 декабря 2010 и озаглавленной "Method and System for Producing Direct Reduced Iron and/or Hot Metal Using Brown Coal" ("Способ и система для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием бурого угля"), содержание которой во всей полноте этим упоминанием включено в текст данного описания. Настоящая заявка на патент также является частичным продолжением находящейся на одновременном рассмотрении заявки на патент США №13/305876, зарегистрированной 29 ноября 2011 и озаглавленной "Electric Furnace for Producing Molten Metal Having Material Recycling Capability" ("Электрическая печь для производства расплавленного металла с возможностью повторного использования материала"), содержание которой во всей полноте этим упоминанием также включено в текст данного описания.

Область техники

Настоящее изобретение в общем относится к способу и системе для производства железа прямого восстановления (DRI) и/или жидкого чугуна с использованием бурого угля, т.е., например, лигнита и полубитуминозного угля. Эти способ и система с выгодой могут быть использованы для выработки электроэнергии с высоким кпд, а железо прямого восстановления и/или жидкий чугун могут быть использованы для аккумулирования энергии, и их легко транспортировать.

Уровень техники

В лигните суммарное содержание углерода составляет приблизительно 25-35%, содержание влаги иногда настолько высоко, что достигает приблизительно 66%, содержание золы составляет приблизительно 6-19%, и теплотворная способность лигнита находится в диапазоне приблизительно 10-20 МДж/кг (то есть, приблизительно 9-17 миллионов британских тепловых единиц 9 (Btu, British thermal unit) на американскую тонну) в пересчете на сухое вещество, не содержащее золы (DAF). Для сравнения, битуминозный уголь имеет суммарное содержание углерода приблизительно 60-80%, содержание золы приблизительно 6-12% и теплоту сгорания приблизительно 24-35 МДж/кг в пересчете на сухое вещество, не содержащее золы. Полубитуминозные угли имеют суммарное содержание углерода, содержание золы и калорийность на уровне между лигнитом и битуминозными углями, и содержат порядка 15-30% влаги. Необходимо отметить, что все данные диапазоны содержания являются всего лишь примерными и не накладывают ограничений (при их использовании в пределах настоящего описания). Лигнит имеет высокое содержание летучих веществ, что облегчает превращение в газ и жидкие нефтяные продукты по сравнению с другими углями более высокого сорта. Однако высокое содержание влаги в лигните и подверженность спонтанному горению могут создать трудности при транспортировке и хранении.

Из-за его низкой удельной энергии лигнит невыгодно транспортировать, и торговля лигнитом на мировых рынках широко не распространена по сравнению с другими углями более высокого сорта. Лигнит часто используют в качестве топлива на электростанциях, которые построены близко к угольной шахте. Примерами электростанций со сжиганием лигнита, которые расположены близко к угольной шахте, являются Latrobe Valley в Австралии и станция Monticello компании Luminant в Техасе.

Лигнит не обладает достаточной прочностью для его использования в доменной печи в качестве кокса, даже при условии, что из него удаляют летучие вещества. Лигнит содержит меньше связанного углерода, что затрудняет его использование при прямом восстановлении (DR) и в других процессах по производству железа в качестве углеродсодержащего материала, который агломерирован с материалом, содержащим оксид железа.

Полубитуминозный уголь схож с лигнитом и имеет типичное содержание влаги приблизительно 20-30%. Высокое содержание влаги в полубитуминозном угле также приводит к тому, что его удельная энергия ниже, чем у других углей более высокого сорта. Кроме того, полубитуминозный уголь не имеет достаточной прочности для использования в доменной печи в качестве кокса, даже при условии, что из него удаляют летучие вещества.

Таким образом, в обычных способах и системах для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна, как правило, используется кокс или уголь высокого сорта, а лигнит (т.е. бурый уголь), полубитуминозный уголь и подобное не используются. Лигнит используется только для местной выработки электроэнергии с низким кпд. Низкий кпд этой выработки электроэнергии вытекает из того, что часть энергии угля необходимо использовать для испарения влаги, чтобы просушить лигнит и полубитуминозный уголь.

Сущность изобретения

Однако, в соответствии со способами и системами, предлагаемыми настоящим изобретением, с использованием лигнита, полубитуминозного угля и подобного можно эффективным и успешным образом вырабатывать электроэнергию и производить железо прямого восстановления и/или жидкий чугун. Это позволяет аккумулировать энергию и обеспечить легкую транспортировку.

Согласно одному примерному варианту реализации, настоящим изобретением предлагается способ производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги, включающий агломерирование углеродсодержащего материала, полученного из упомянутого углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги, с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. Способ также включает перегонку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги. Способ дополнительно включает быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, полученного на этапе перегонки. Кроме того, способ включает сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна перед этапом перегонки. В качестве необязательного варианта, способ включает непосредственную сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ включает опосредованную сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ включает сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием газа с низким содержанием кислорода перед этапом перегонки. В качестве необязательного варианта, способ включает сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии перед этапом перегонки. Кроме того, способ включает выработку электроэнергии с использованием части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги. Кроме того, способ включает повторное использование газа с низким содержанием кислорода перед этапом агломерирования. В предпочтительном случае углеродсодержащий материал с высоким содержанием влаги включает одно из следующего: бурый уголь, лигнит и полубитуминозный уголь. В предпочтительном случае углеродсодержащий материал с высоким содержанием влаги содержит, по меньшей мере, 20% влаги. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает использование газифицированной части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с этапа перегонки для выработки электроэнергии и использование оставшейся части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги как восстановителя в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, процесс прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна включает использование восстановительной и/или плавильной печи для производства расплавленного металла из агломератов, имеющей одно или более отверстий, созданных в ее донной части для избирательного удаления части исходного материала из печи, что позволяет поддерживать заранее определенные характеристики постели или слоя исходного материала. В качестве необязательного варианта, процесс прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна включает использование восстановительной и/или плавильной печи для производства расплавленного металла из агломератов с одновременной подачей кислородсодержащего газа из горелки вторичного сжигания внутрь печи, что позволяет обеспечить сжигание газа, содержащего монооксид углерода, который возникает в слое агломерата, и использовать тепловое излучение от этой горелки, чтобы обеспечить восстановление слоя агломерата в результате нагрева.

Согласно другому примерному варианту его реализации, настоящим изобретением предлагается система для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги, включающая: средства агломерирования углеродсодержащего материала, полученного из упомянутого углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги, с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. Система также включает средства перегонки углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги. Система дополнительно включает средства быстрого сухого охлаждения углеродсодержащего материала, полученного на этапе перегонки. Кроме того, система включает средства сушки углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна перед этапом перегонки. В качестве необязательного варианта, система включает средства непосредственной сушки углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, система включает средства опосредованной сушки углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, система включает средства сушки углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием газа с низким содержанием кислорода перед этапом перегонки. В качестве необязательного варианта, система включает средства сушки углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии перед этапом перегонки. Кроме того, система включает средства выработки электроэнергии с использованием части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги. Кроме того, система включает средства повторного использования газа с низким содержанием кислорода перед этапом агломерирования. В предпочтительном случае, углеродсодержащий материал с высоким содержанием влаги включает одно из следующего: бурый уголь, лигнит и полубитуминозный уголь. В предпочтительном случае углеродсодержащий материал с высоким содержанием влаги содержит, по меньшей мере, 20% влаги. В качестве необязательного варианта, система дополнительно включает средства использования газифицированной части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с этапа перегонки для выработки электроэнергии и использования оставшейся части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги как восстановителя в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, процесс прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна включает использование восстановительной и/или плавильной печи для производства расплавленного металла из агломератов, имеющей одно или более отверстий, созданных в ее донной части для избирательного удаления части исходного материала из печи, что позволяет поддерживать заранее определенные характеристики постели или слоя исходного материала. В качестве необязательного варианта, процесс прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна включает использование восстановительной и/или плавильной печи для производства расплавленного металла из агломератов с одновременной подачей кислородсодержащего газа из горелки вторичного сжигания внутрь печи, что позволяет обеспечить сжигание газа, содержащего монооксид углерода, который возникает в слое агломерата, и использовать тепловое излучение от этой горелки, чтобы обеспечить восстановление слоя агломерата в результате нагрева.

Согласно следующему примерному варианту его реализации, настоящим изобретением предлагается способ производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием лигнита, полубитуминозного угля или тому подобного, включающий: сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна; необязательную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием газа с низким содержанием кислорода; перегонку лигнита или полубитуминозного угля; быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, поступившего с этапа перегонки; и агломерирование углеродсодержащего материала с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает непосредственную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает опосредованную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. Кроме того, способ включает повторное использование газа с низким содержанием кислорода между этапами быстрого сухого охлаждения и сушки. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии.

Согласно еще одному примерному варианту реализации, настоящим изобретением предлагается система для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием лигнита, полубитуминозного угля или тому подобного, включающая: средства сушки лигнита или полубитуминозного угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна; в качестве необязательного варианта, средства сушки лигнита или полубитуминозного угля с использованием газа с низким содержанием кислорода; средства перегонки лигнита или полубитуминозного угля; средства быстрого сухого охлаждения углеродсодержащего материала, поступившего с этапа перегонки; и средства для агломерирования углеродсодержащего материала с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, система дополнительно включает средства непосредственной сушки лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, система дополнительно включает средства опосредованной сушки лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. Кроме того, система включает средства повторного использования газа с низким содержанием кислорода между этапами быстрого сухого охлаждения и сушки. В качестве необязательного варианта, система дополнительно включает средства сушки лигнита или полубитуминозного угля с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии.

Согласно следующему примерному варианту его реализации, настоящим изобретением предлагается способ производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием лигнита, полубитуминозного угля или тому подобного, включающий: сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна; в качестве необязательного варианта, сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием газа с низким содержанием кислорода; в качестве необязательного варианта, выработку электроэнергии с использованием части лигнита или полубитуминозного угля; производство углеродсодержащего материала с использованием части лигнита или полубитуминозного угля; и агломерирование углеродсодержащего материала с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. Способ также включает перегонку, по меньшей мере, части лигнита или полубитуминозного угля; и быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, поступившего с этапа перегонки. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает непосредственную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает опосредованную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. Кроме того, способ включает повторное использование газа с низким содержанием кислорода между этапами быстрого сухого охлаждения и сушки. Кроме того, способ включает сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии.

Согласно еще одному примерному варианту его реализации, настоящим изобретением предлагается способ производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги, включающий: сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна; в качестве необязательного варианта, выработку электроэнергии с использованием части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги; производство углеродсодержащего материала с использованием части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги; и агломерирование углеродсодержащего материала с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. Углеродсодержащий материал с высоким содержанием влаги содержит, по меньшей мере, приблизительно 20% влаги. Способ также включает перегонку, по меньшей мере, части углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги; и быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, поступившего с этапа перегонки. В качестве необязательного варианта, способ включает непосредственную сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ включает опосредованную сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает сушку углеродсодержащего материала с высоким содержанием влаги с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии.

Согласно следующему примерному варианту его реализации, настоящим изобретением предлагается способ производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна с использованием лигнита, полубитуминозного угля или тому подобного, включающий: перегонку лигнита или полубитуминозного угля; быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, поступившего с этапа перегонки; и агломерирование углеродсодержащего материала с материалом, содержащим оксид металла, чтобы получить агломерат, подходящий для использования в процессе прямого восстановления и/или производства жидкого чугуна. Способ также включает сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием газа с низким содержанием кислорода. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает непосредственную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает опосредованную сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства железа прямого восстановления и/или жидкого чугуна. Кроме того, способ включает повторное использование газа с низким содержанием кислорода между этапами быстрого сухого охлаждения и сушки. В качестве необязательного варианта, способ дополнительно включает сушку лигнита или полубитуминозного угля с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение проиллюстрировано и описано здесь при помощи вариантов его реализации, которые не накладывают ограничений, со ссылкой на различные чертежи, на которых аналогичные ссылочные номера использованы (при необходимости) для обозначения аналогичных этапов способа/компонентов системы, и из которых:

Фиг.1 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую один примерный вариант системы для производства железа прямого восстановления/жидкого чугуна с использованием бурого угля, предлагаемой настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

В зоне 10 отходящего газа лигнит, полубитуминозный уголь или тому подобное сначала предварительно сушат до получения заранее определенного уровня содержания влаги, при этом не допуская самовозгорания, за счет использования энергии горячего отходящего газа из нагревательной, восстановительной и/или плавильной печи, такой как обжиговая печь, восстановительная нагревательная печь (RHF) и/или плавильная печь 12, расположенная в зоне 14 плавильной печи или т.п. Этот процесс выполняют в емкости 16 для предварительной сушки угля. Энергия горячего отходящего газа может быть использована либо непосредственно (т.е. горячий отходящий газ контактирует с углем), либо опосредованно (т.е. горячий отходящий газ отделен от угля поверхностью теплопереноса и/или другой подходящей средой теплопереноса). В случае способа непосредственной сушки, уголь приводят в контакт с горячим отходящим газом (например, в емкости типа шахтной печи, такой как емкость, аналогичная используемой в процессе MIDREX®, при помощи псевдоожиженных слоев, сушилок конвейерного типа и подобного). Однако горячий отходящий газ может содержать достаточно кислорода, чтобы создать проблемы, связанные с горением угля, если уголь слишком сильно просушен. В этом случае может быть применена опосредованная сушка угля с использованием подходящего по конструкции оборудования (например, в емкости или обжиговой печи, где отработавший газ течет по трубкам, а уголь остается со стороны оболочки оборудования и подобного). В этой ситуации опосредованной сушки уголь может находиться в атмосфере с низким содержанием кислорода, и для предварительной сушки угля по-прежнему может использоваться энергия горячего отходящего газа. Одна из возможных проблем связана с работой с материалом в виде частично просушенного лигнита или полубитуминозного угля. Если для частично просушенного лигнита или полубитуминозного угля возникают проблемы горения или работы с сыпучим материалом, тогда этап предварительной сушки можно исключить, и можно применить другой способ опосредованной сушки. В этом случае вся сушка полностью может выполняться в блоке, работающем в условиях низкого содержания кислорода (как описано в следующем абзаце). Газ, имеющий низкое содержание кислорода, нагревают частично за счет энергии горячего отходящего газа и подвергают рециклингу.

Затем предварительно просушенный лигнит, полубитуминозный уголь или тому подобное подают во вторую систему 18 сушки (например, емкость типа шахтной печи, такую как емкость, аналогичная используемой в процессе MIDREX®, вращающуюся обжиговую печь, псевдоожиженные слои, сушилку конвейерного типа и т.д.), которая сушит лигнит или полубитуминозный уголь в степени, достаточной для выработки электроэнергии с высоким кпд в зоне 20 выработки электроэнергии. Эта вторая система 18 сушки расположена, например, в зоне 22 сушки и подготовки угля. Лигнит, полубитуминозный уголь или тому подобное могут быть просушены до содержания влаги на уровне ниже приблизительно 5%. Такая выработка электроэнергии имеет высокий кпд, так как для удаления влаги использованы тепловые отходы нагревательной, восстановительной и/или плавильной печи, поэтому энергия не теряется в скрытую теплоту, необходимую для испарения воды, или в физическое тепло, переносимое водяным паром в отработавшем газе. Во второй системе 18 сушки в качестве сушащей среды используется газ с низким содержанием кислорода, чтобы избежать самовозгорания лигнита или полубитуминозного угля. В качестве альтернативы можно использовать опосредованную сушку в обжиговой печи с использованием трубки или тому подобного. В случае, если нет возможности предварительно просушить лигнит или полубитуминозный уголь из-за проблем при работе с материалом, то это единственный блок сушки угля, который используют в процессе работы.

Просушенный лигнит или полубитуминозный уголь из второй системы 18 сушки подают в установку 24 деструктивной перегонки, такую как вращающаяся обжиговая печь и/или печь с вращающимся подом. Выделяющийся горючий газ из установки 24 деструктивной перегонки сжигают или подают в камеру 26 дожигания и используют для получения горячего газа или пара, подходящего для выработки электроэнергии.

Существующие электростанции, которые используют лигнит или полубитуминозный уголь, также имеют системы предварительной сушки, которые нагреваются при помощи отходящего газа электростанции. Однако отходящий газ электростанции не имеет достаточной энергии, чтобы просушить лигнит или полубитуминозный уголь должным образом, либо лигнит или полубитуминозный уголь могут быть должным образом просушены за счет энергии, которая могла бы быть использована для выработки электроэнергии. Поэтому кпд выработки электроэнергии является низким.

Далее, горячий углеродсодержащий материал из установки 24 перегонки подают в систему 28 быстрого сухого охлаждения (например, емкость типа шахтной печи, такую как емкость, аналогичная используемой в процессе MIDREX®, вращающуюся обжиговую печь, псевдоожиженные слои, сушилку конвейерного типа и т.д.), которая охлаждает углеродсодержащий материал таким образом, чтобы его можно было использовать на последующих этапах обработки. Для охлаждения горячего углеродсодержащего материала используют газ с низким содержанием кислорода. После охлаждения углеродсодержащего материала, прошедшего перегонку, горячий газ с низким содержанием кислорода затем используют для сушки лигнита или полубитуминозного угля во второй системе 18 сушки, которая упомянута выше. После этого газ с низким содержанием кислорода приводят в необходимое состояние, чтобы его можно было повторно использовать в системе 28 быстрого сухого охлаждения.

Можно обеспечить высокую эффективность использования энергии как общую систему, так как настоящее изобретение позволяет удалить большую часть влаги из лигнита или полубитуминозного угля, применяя отходящее тепло нагревательной, восстановительной и/или плавильной печи 12 с целью повторного использования энергии, удаленной из углеродсодержащего материала, прошедшего перегонку. Предпочтительным является баланс по теплоте и материалу для зоны отходящего газа, зоны сушки лигнита или полубитуминозного угля и зоны выработки электроэнергии.

Другим преимуществом настоящего изобретения является использование углеродсодержащего материала, прошедшего перегонку, в качестве восстановителя при изготовлении восстановленного металла и/или жидкого чугуна, которые могут обрабатываться для получения плоских, круглых и/или квадратных заготовок и т.д. Углеродсодержащий материал, прошедший перегонку, имеет несколько преимуществ по сравнению с углем (в особенности, при непосредственном использовании лигнита или полубитуминозного угля) при применении в нагревательных, восстановительных и/или плавильных печах. Некоторые из преимуществ: более низкая степень добавления углеродсодержащего материала в агломераты, улучшенные физические свойства исходных и восстановленных агломератов, более высокая производительность нагревательной, восстановительной и/или плавильной печи и более низкая вероятность низкотемпературной коррозии в системе отходящего газа из-за более низкого содержания водорода.

Энергия из лигнита или полубитуминозного угля "сохраняется" в металлических изделиях, и ее легче транспортировать, чем лигнит или полубитуминозный уголь.

В соответствии со способами и системами, предлагаемыми настоящим изобретением, охлажденный углеродсодержащий материал, из которого удалены летучие вещества, подают в систему 30 измельчения, например, барабан шаровой мельницы или измельчитель типа молотковой мельницы. После этого измельченный углеродсодержащий материал агломерируют с материалом, содержащим оксид металла, например, но не ограничиваясь указанным, оксидом железа, оксидом цинка, оксидом никеля, пылью доменной печи, пылью кислородного конвертера, пылью электродуговой печи и т.д., в зоне 32 работы с исходным материалом. Агломераты сушат (если требуется) в сушилке 34 окатышей, а затем подают в нагревательную печь 12 для восстановления и/или плавления. Нагревательная печь 12 включает, не ограничиваясь указанным, печь с вращающимся подом, электродуговую печь (EAF), печь с погруженной дугой или плавильную печь. Восстановительная и плавильная печь может представлять собой, например, такую, которая описана в принадлежащей настоящему заявителю заявке на патент США №13/305876, WO 2009/131148, или аналогичную.

Таким образом, настоящее изобретение объединяет установку для выработки электроэнергии с нагревательными, восстановительными и плавильными печами и позволяет эффективным образом превращать лигнит или полубитуминозный уголь в металлические изделия, которые легко транспортировать.

Установка для выработки электроэнергии получает выгоды от использования энергии отходящего газа, выбрасываемого из нагревательной, восстановительной и/или плавильной печи, так как лигнит или полубитуминозный уголь могут быть просушены и делают возможной выработку электроэнергии с высоким кпд.

Нагревательная, восстановительная и/или плавильная печь получает выгоды от использования в качестве восстановителя углеродсодержащего материала, прошедшего перегонку, и от получения электроэнергии из установки для выработки электроэнергии.

Согласно настоящему изобретению, вся требующаяся энергия может предоставляться лигнитом или полубитуминозным углем. Однако, в некоторых специальных случаях, например, в случае электростанций меньшего масштаба, в которых потери тепла относительно выше, и в случае угля с более низким содержанием летучих веществ, либо в любом другом случае, когда необходимо извлечение тепла в более высокой степени, для получения суммарной требуемой энергии только при помощи угля необходима значительно более высокая эффективность, в противном случае электростанции требуется другой источник теплоты, такой как природный газ или электричество, поставляемое сверх извне. В таких случаях также можно использовать регенеративные горелки или регенеративную печь. Например, такую регенеративную горелку можно нагревать горячим отходящим газом из нагревательной, восстановительной и/или плавильной печи, либо ее можно нагревать за счет части энергии от системы для перегонки лигнита, полубитуминозного угля или тому подобного.

Повторимся, что плавильная печь, используемая вместе с различными вариантами реализации настоящего изобретения, например, может представлять собой такую, которая описана в принадлежащей настоящему заявителю заявке на патент США №13/305876, WO 2009/131148, или аналогичную. Эта печь, например, представляет собой электрическую ненаклоняемую печь. Данная печь является дуговой печью, которая имеет, например, по существу, прямоугольное поперечное сечение, если смотреть сверху/снизу. Желобы загрузки исходного материала и каналы отходящего газа соединены со сводом печи/проходят через него. Через свод печи вставлены электроды, функционирующие как нагреватели. В предпочтительном случае, каждый из этих электродов прикреплен к устройству подъема электродов, которое используют для введения электродов во внутреннюю часть печи/выведения из нее. Желобы загрузки исходного материала установлены поблизости от обеих боковых стенок печи, при этом электроды установлены рядом с осью печи. По длине печи на расстоянии друг от друга может быть установлено множество желобов загрузки исходного материала и электродов. Через свод печи также вставлены горелки дожигания. По длине печи на расстоянии друг от друга может быть установлено множество каналов отходящего газа и горелок дожигания. В предпочтительном случае, каналы отходящего газа расположены ближе к желобам загрузки исходного материала, чем электроды, чтобы предотвратить протекание окисляющего отходящего газа, возникающего после вторичного сжигания, в направлении электродов, что позволяет уменьшить повреждение электродов.

Свод печи в предпочтительном случае имеет ступенчатую конструкцию или наклонные части иного вида с наклоном в направлении от желобов загрузки исходного материала к электродам на любой стороне. Каждая ступенька этой ступенчатой конструкции включает, по существу, горизонтальную полку и, по существу, вертикальный подъем. Горелки вторичного сжигания установлены проходящими, по существу, по горизонтали через, по существу, вертикальные подъемы, в результате чего обеспечивается эффективный ввод кислородсодержащего газа в непосредственной близости от слоев агломерата. Необходимо отметить, что горелки дожигания можно также установить проходящими, по существу, по вертикали через, по существу, горизонтальные полки.

В боковых стенках/дне печи, поблизости от центральной оси печи и на расстоянии от желобов загрузки исходного материала (т.е. на расстоянии от постелей из исходного материала) созданы отверстие для выпуска металла и отверстие для выпуска шлака, чтобы сделать возможным выпуск расплавленного металла и расплавленного шлака. Необходимо отметить, что отверстие для выпуска металла и отверстие для выпуска шлака могут иметь любое желаемое расположение в нижней части печи. Эти отверстия могут быть расположены в центре дна печи. Электроды предпочтительно относятся к типу с трехфазным переменным током, который имеет желаемый тепловой кпд и, как правило, используется в электродуговых печах для производства стали. В качестве примера, можно использовать группу из шести электродов, состоящую из трех пар электродов, каждый с одной фазой. Во время проведения операции плавления вершина каждого электрода предпочтительно погружена в слои агломерата, расположенные на постелях из исходного материала, или погружена в расплавленный шлак. В результате можно ускорить плавление за счет теплового излучения и омического нагрева и можно снизить до минимума повреждение внутренних поверхностей печи, которые не защищены постелями из исходного материала.

Согласно настоящему изобретению, нижняя часть печи включает множество бункеров выгрузки, расположенных в различных местах ниже слоев исходного материала и агломерата. Эти бункеры выгрузки избирательно приводятся в действие в ходе процесса или при простое для выгрузки из печи заранее определенного количества исходного материала (включая агломераты и мелочь), что позволяет управлять потоком материала и положением зоны плавления в печи. Операцию выгрузки выполняют, используя скользящий затвор и шнековый конвейер, расположенные под бункерами выгрузки. Если с каждым бункером выгрузки используется несколько скользящих затворов, то материал можно выгружать из конкретных частей печи, в определенный момент времени, открывая один или более скользящих затворов.

В ходе работы необходимо управлять потоком материала и положением зоны плавления в печи, чтобы можно было поддерживать правильную и непрерывную ее работу. Поэтому, в дополнение к использованию бункеров выгрузки, желобы загрузки исходного материала снабжены внешними желобами, включающими порты подачи, которые можно выдвигать или иным образом регулировать по вертикали. Каждый желоб загрузки исходного материала включает бункер для хранения исходного материала, внутренний желоб, соединенный с бункером, и внешний желоб, который может выдвигаться или иным образом регулироваться по вертикали на внутреннем желобе. Требуемое положение нижней части слоя агломерата можно регулировать, перемещая внешние желобы и порты подачи в вертикальном направлении, в зависимости от угла, под которым лежит этот слой.

Таким образом, настоящим изобретением предлагаются система и способ регулирования нижней части слоя агломерата вне зависимости от изменения угла, под которым лежат постель из исходного материала и слой агломерата, и угла их сползания, эти углы обусловлены отделением и/или накоплением мелочи. Можно задавать и поддерживать устойчивый поток материала от места подачи до зоны плавления для работы в течение долгого времени. Эта работа является чрезвычайно эффективной, особенно, когда мелочь удаляют из области ниже места подачи. Даже несмотря на то, что агломераты классифицируются по размеру непосредственно перед поступлением в бункер подачи, наличие некоторого количества мелочи в печи является неизбежным. Имеется тенденция к отделению и/или накапливанию этой мелочи именно в месте подачи. Этот материал по химическому составу аналогичен подаваемому материалу, либо частично восстановлен. Даже если он частично восстановлен, как правило, в нем сохраняется приемлемый баланс между окислителем и восстановителем, и его, как правило, можно повторно использовать. Одним способом повторного использования извлеченного материала является простое смешивание его с новым подаваемым материалом, поступающим в оборудование для агломерации, что не требует нового оборудования. Другим способом повторного использования извлеченного материала является направление этого материала в новые бункер подачи и желоб подачи, расположенные напротив выпускной стороны печи. Повторимся, что предпочтительной формой печи является прямоугольная, где огнеупор защищен при помощи подачи железа прямого восстановления с двух из четырех сторон. Трудно защитить выпускную сторону печи за счет наличия слоя из железа прямого восстановления, так как выпускная сторона печи должна обеспечивать приемлемый поток горячих металла и/или шлака у выпускных отверстий. Поэтому желательно защитить выпускную сторону печи при помощи водяного охлаждения. В качестве альтернативы, подача извлеченного материала на эту сторону печи также может защитить огнеупор и уменьшить потери тепла, если сравнивать с водяным охлаждением.

Если количество извлеченного материала является слишком большим, то в печи при подаче материала потребуется, например, чтобы зона предварительного восстановления имелась с двух сторон. Однако количество удаленного материала значительно меньше количества свежего подаваемого и может быть частично уменьшено. Поэтому плавление повторно используемого материала можно обеспечить, выгружая его на слой шлака и горячего металла под новым бункером для повторно используемого материала.

Одним важным аспектом электрической плавильной печи этого типа является возникновение пенистого шлака, который отчасти создается газом, выделяющимся в ходе реакции восстановления. Материал для его повторного использования может быть направлен в зону поблизости от электрода (например, между парой электродов), что приводит к образованию газа СО при реакции восстановления и пенистого шлака. К повторно используемому материалу можно добавить CaO, что позволит обеспечить хорошие характеристики десульфуризации. Если вместо CaO к повторно используемому материалу добавляется известняк (CaCO₃) или доломит (CaCO₃ и MgCO₃), пенистый шлак можно получать с использованием возникающего в результате CO₂. Известняк или доломит также можно загружать в печь независимо от повторно используемого материала.

Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано и описано здесь со ссылкой на предпочтительные варианты его реализации и конкретные его примеры, специалистам обычной квалификации в данной области техники будет очевидно, что реализовать аналогичные функции и/или достичь похожих результатов можно с использованием и других вариантов и примеров. Все такие эквивалентные варианты и примеры не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения, поэтому предусмотрены и, как подразумевается, охвачены пунктами приложенной Формулы изобретения.

Изобретение относится к способу и системе для производства жидкого чугуна с использованием бурого угля, содержащего по меньшей мере 20% влаги. Осуществляют сушку бурого угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна, подвергают бурый уголь деструктивной перегонке, выполняют быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, полученного на этапах сушки и перегонки, агломерируют углеродсодержащий материал, полученный на упомянутых этапах сушки, перегонки и быстрого сухого охлаждения, с материалом, содержащим оксид металла, для получения агломерата, и используют агломерат в процессе производства жидкого чугуна. Изобретение обеспечивает высокую эффективность использования энергии, улучшенные физические свойства агломератов и высокую производительность плавильной печи. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ производства жидкого чугуна с использованием бурого угля, содержащего по меньшей мере 20% влаги, содержащий следующие этапы, на которых:
- осуществляют сушку бурого угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна,
- подвергают бурый уголь деструктивной перегонке,
- выполняют быстрое сухое охлаждение углеродсодержащего материала, полученного на этапах сушки и перегонки,
- агломерируют углеродсодержащий материал, полученный на упомянутых этапах сушки, перегонки и быстрого сухого охлаждения, с материалом, содержащим оксид металла, для получения агломерата, и
- используют агломерат в процессе производства жидкого чугуна.

2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором выполняют непосредственную сушку бурого угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна.

3. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором выполняют опосредованную сушку бурого угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором сушку бурого угля выполняют с использованием газа с низким содержанием кислорода.

5. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором вырабатывают электроэнергию с использованием части бурого угля.

6. Способ по п.5, дополнительно содержащий этап, на котором выполняют сушку бурого угля с использованием отходящего газа из установки для выработки электроэнергии.

7. Способ по п.1, в котором бурый уголь содержит одно из лигнита и полубитуминозного угля.

8. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором используют газифицированную часть углеродсодержащего материала, полученного на этапе перегонки, для выработки электроэнергии и используют оставшуюся часть углеродсодержащего материала как восстановитель в процессе производства жидкого чугуна.

9. Способ по п.1, в котором процесс производства жидкого чугуна содержит использование восстановительной и/или плавильной печи для производства расплавленного металла из агломератов с одновременной подачей кислородсодержащего газа из горелки дожигания внутрь печи, что позволяет обеспечить сжигание газа, содержащего монооксид углерода, который возникает в слое агломерата, и использовать тепловое излучение от этой горелки, чтобы обеспечить восстановление слоя агломерата в результате нагрева.

10. Способ по п.1, в котором на этапах сушки и/или деструктивной перегонки бурого угля устанавливают содержание влаги в углеродсодержащем материале на уровне ниже приблизительно 5%.

11. Система для производства жидкого чугуна с использованием бурого угля, содержащего по меньшей мере 20% влаги, причем система содержит:
- емкость для сушки бурого угля с использованием энергии горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна,
- обжиговую печь для деструктивной перегонки бурого угля,
- емкость для быстрого сухого охлаждения углеродсодержащего материала, полученного в емкости для сушки и обжиговой печи,
- гранулятор для агломерирования углеродсодержащего материала, полученного в упомянутых в емкости для сушки, обжиговой печи и емкости для быстрого сухого охлаждения, с материалом, содержащим оксид металла, для получения агломерата, и
- плавильную печь для использования агломерата в процессе производства жидкого чугуна.

12. Система по п.11, дополнительно содержащая емкость для непосредственной сушки бурого угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна.

13. Система по п.11, дополнительно содержащая емкость для опосредованной сушки бурого угля с использованием горячего отходящего газа из печи для производства жидкого чугуна.

14. Система по п.11, дополнительно содержащая емкость для сушки бурого угля с использованием газа с низким содержанием кислорода.

15. Система по п.11, дополнительно содержащая генератор для выработки электроэнергии с использованием части бурого угля.

16. Система по п.15, дополнительно содержащая емкость для сушки бурого угля с использованием отходящего газа из генератора для выработки электроэнергии.

17. Система по п.11, причем бурый уголь содержит одно из лигнита и полубитуминозного угля.

18. Система по п.11, дополнительно содержащая генератор для использования газифицированной части углеродсодержащего материала, полученного в обжиговой печи для перегонки, для выработки электроэнергии, при этом оставшаяся часть углеродсодержащего материала используется как восстановитель в плавильной печи в процессе производства жидкого чугуна.

19. Система по п.11, в которой процесс производства жидкого чугуна содержит использование восстановительной и/или плавильной печи для производства расплавленного металла из агломератов с одновременной подачей кислородсодержащего газа из горелки дожигания внутрь печи, что позволяет обеспечить сжигание газа, содержащего монооксид углерода, который возникает в слое агломерата, и использовать тепловое излучение от этой горелки, чтобы обеспечить восстановление слоя агломерата в результате нагрева.