СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СОДЕРЖАЩИХ ОКСИДЫ ЖЕЛЕЗА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2017 года по МПК B01D53/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, при котором в восстановительный реактор, содержащий сырьевые материалы, включающие оксиды железа, подается восстановительный газ. Восстановительный газ получается таким образом, что технологический газ с восстановительным потенциалом нагревается в нагревательном устройстве до температуры, пригодной для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, в частности, до температуры свыше 800°C. Нагревание технологического газа в нагревательном устройстве выполняется путем прямого теплообмена между технологическим газом и продуктами сгорания, образующимися при горении в нагревательном устройстве.

Кроме того, изобретение относится к устройству для исполнения способа, включающему восстановительный реактор с выпускным трубопроводом для колошникового газа для выведения колошникового газа из восстановительного реактора, нагревательное устройство для подогревания технологического газа с впадающим в восстановительный реактор трубопроводом для восстановительного газа и, по меньшей мере, в каждом случае одним впадающим в нагревательное устройство подводящим газопроводом для подачи горючего газа, подводящим кислородным трубопроводом для подачи технически чистого кислорода, и по меньшей мере одним подводящим трубопроводом для технологического газа для подачи технологического газа.

Уровень техники

В связи с восстановлением содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе, из прототипа известно отделение от СО₂-содержащего газа с помощью устройства для отделения СО₂ большей части содержащегося в нем СО₂, для получения тем самым технологического газа с восстановительным потенциалом. Это значит, что технологический газ после отделения СО₂ содержит большую долю СО и, соответственно, Н₂, которые, когда приходят в контакт с содержащими оксиды железа сырьевыми материалами, восстанавливают содержащие оксиды железа сырьевые материалы, и сами при этом окисляются. Температура технологического газа, выводимого из устройства для отделения СО₂, обычно составляет около 40°C. Чтобы обеспечить восстановление содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе с достаточной скоростью, технологический газ перед его введением в восстановительный реактор в качестве восстановительного газа должен быть нагрет до температуры около 800°C. Это нагревание зачастую выполняется таким образом, что первое частичное количество технологического газа пропускается через нагревательное устройство, и второе частичное количество технологического газа вводится в нагревательное устройство в качестве горючего газа. Этот горючий газ при этом сгорает при добавлении кислородсодержащего газа. Выделяющаяся при этом сгорании тепловая энергия прямым теплообменом переносится на первое частичное количество технологического газа, причем первое частичное количество технологического газа, протекающее через нагревательное устройство, выводится в качестве восстановительного газа с температурой, пригодной для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Подаваемый в нагревательное устройство технологический газ вследствие предшествующего отделения СО₂ имеет большое содержание газообразных СО и, соответственно, Н₂, и поэтому в принципе имеет высокий восстановительный потенциал. Это является принципиально важным, так как технологический газ имеет слишком низкую температуру для проведения быстро протекающей реакции восстановления. Второе частичное количество технологического газа, которое подается в нагревательное устройство в качестве горючего газа, при сгорании с кислородсодержащим газом окисляется, что значит, что большая доля СО в этом горючем газе в результате окисления кислородсодержащим газом окисляется до СО₂. Второе частичное количество технологического газа вследствие этого лишается значительной части обладающего восстановительными свойствами СО. Поэтому в целом доля восстанавливающих компонентов в восстановительном газе, который выводится из нагревательного устройства, считается меньшей, чем во всем технологическом газе, который подается в нагревательное устройство. Тем самым нагревание технологического газа, проводимое вышеуказанным способом, происходит за счет восстановительного потенциала технологического газа, и поэтому является невыгодным в отношении восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе.

Кислородсодержащий газ, который добавляется к горючему газу, часто представляет собой воздух, так как воздух, в отличие от чистого кислорода, или в отличие от газовых смесей с более высоким содержанием кислорода, чем в воздухе, является более дешевым и в любое время доступным в больших количествах. Поэтому сжигание горючего газа с воздухом часто представляет собой предпочтительный вариант в таком способе. Однако воздух имеет высокое содержание азота. Этот содержащийся в воздухе азот во время сгорания с горючим газом частично окисляется до оксидов азота. Поэтому выводимый из нагревательного устройства восстановительный газ содержит доли азота, который не обладает восстановительным потенциалом. Тем самым эти доли азота при восстановлении содержащих оксиды железа сырьевых материалов не играют никакой роли. Единственное свойство, которое в этой связи проявляют эти доли азота, состоит в том, что они занимают в восстановительном газе определенную часть объема и тем самым снижают процентное содержание восстанавливающих компонентов в расчете на единицу объема восстановительного газа. Поэтому, в сравнении с восстановительным газом без содержания азота, требуются увеличенные количества восстановительного газа, чтобы в восстановительном реакторе за единицу времени получить такую же массу восстановленных сырьевых материалов.

Из прототипа известно разрешение указанной проблемы тем, что из азотсодержащего восстановительного газа перед введением в восстановительный реактор удаляется азот. Это имеет тот недостаток, что необходимы дополнительные устройства для отделения азота от газов, которые являются дорогостоящими и нуждаются в обслуживании. Зачастую подаваемый в восстановительный реактор азотсодержащий восстановительный газ после его израсходования для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе опять выводится из него в виде колошникового газа и выпускается в окружающую среду. Это может создавать проблемы в плане соблюдения предписаний в отношении защиты окружающей среды.

Если вместо воздуха к горючему газу примешивается технически чистый кислород, то возникает существенный недостаток в том отношении, что технически чистый кислород является дорогостоящим, и всегда должен наличествовать в достаточно больших количествах, чтобы обеспечивать определенную производительность восстановительного реактора для получения восстановленных сырьевых материалов в единицу времени.

Сущность изобретения

Техническая задача

Поэтому задача изобретения состоит в создании способа восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, при котором сохраняется восстановительный потенциал содержащего СО и, соответственно, Н₂ технологического газа при нагревании с образованием восстановительного газа, и сокращается необходимое при нагревании технологического газа количество технически чистого кислорода и, соответственно, содержание азота в восстановительном газе, причем одновременно повышается экономичность способа в сравнении с прототипом.

Дополнительная задача изобретения заключается в создании устройства для исполнения способа.

Техническое решение

Задача решена с помощью способа восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, при котором в восстановительный реактор, содержащий сырьевые материалы, включающие оксиды железа, подается восстановительный газ, причем восстановительный газ получается таким образом, что технологический газ с восстановительным потенциалом вводится в нагревательное устройство для нагревания технологического газа и выводится из него в качестве восстановительного газа, и в нагревательном устройстве производится передача тепловой энергии технологическому газу, причем тепловая энергия генерируется в нагревательном устройстве при сгорании содержащего органическое вещество горючего газа, который включает коксовый газ, происходящий из установки для получения кокса, при добавлении технически чистого кислорода, причем образующееся при горении пламя имеет температуру пламени адиабатического горения свыше 1000°C, предпочтительно более 1300°C, в особенности предпочтительно свыше 1500°C, причем при сгорании горючего газа по меньшей мере часть содержащегося в горючем газе органического вещества разлагается, и передача тепловой энергии технологическому газу производится путем смешения технологического газа с продуктами сгорания, образовавшимися при сгорании горючего газа.

В частности, восстановительный реактор может быть выполнен как реактор для прямого восстановления способом с псевдоожиженным слоем или способом со стационарным слоем, в виде шахтного восстановительного реактора, или в форме доменной печи.

Технологический газ, хотя и имеет восстановительный потенциал, то есть, содержание СО и/или Н₂ является достаточно высоким, чтобы обеспечивать возможность восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, однако часто имеет низкую температуру, поэтому технологический газ перед подачей в восстановительный реактор вводится в нагревательное устройство для нагревания технологического газа, из которого выводится в качестве восстановительного газа и подается в восстановительный реактор. Технологический газ может представлять собой, например, утилизируемый газ из установки для получения чугуна и/или стальных полуфабрикатов.

В нагревательное устройство, в дополнение к технологическому газу, вводится содержащий органическое вещество горючий газ, причем горючий газ сгорает при добавлении технически чистого кислорода. Выделяющаяся при этом тепловая энергия передается технологическому газу путем прямого теплообмена, для чего образовавшиеся при горении продукты сгорания передают свой импульс технологическому газу. Образующееся при горении пламя имеет температуру пламени адиабатического горения свыше 1000°C, предпочтительно более 1300°C, в особенности предпочтительно свыше 1500°C.

Температурой пламени адиабатического горения называется такая температура, которая получается после полного протекания горения, когда газовая смесь из горючего газа и технического кислорода во время горения никоим образом не обменивается теплотой с окружающей средой. Поскольку пламя, как правило, является более горячим, чем его окружение, пламя во время горения теряет теплоту. Поэтому фактическая температура пламени составляет величину ниже температуры пламени адиабатического горения.

Если химический состав горючего газа и технически чистого кислорода измерен или, соответственно, известен, то может быть рассчитана температура пламени адиабатического горения, которая получается при сгорании. Сообразно этому температура пламени адиабатического горения может быть отрегулирована посредством смесевого соотношения горючего газа и технически чистого кислорода на желательное значение. В этом отношении смотри, например, работу автора Stanley S. Grossel: «Deflagration and Detonation Flame Arresters» («Дефлаграционные и детонационные огневые предохранители»), издание American Institute of Chemical Engineers (Американского института инженеров-химиков), 2002, страницы 55 и следующие, или работу «Chemical Engineering Thermodynamics» («Химическая инженерная термодинамика»), издательство Universities Press (Индия), 2004, страницы 137 и след., или работу автора E. Rathakrishnan: «Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Second Edition» («Основы инженерной термодинамики, второе издание»), издательство Prentice-Hall of India Private Limited, Нью-Дели, 6-ое издание, 2005, страницы 407 и след., или работу автора Michael Liberman: «Introduction to Physics and Chemistry of Combustion» («Введение в физику и химию горения»), издательство Springer, 2008, страницы 50 и след. Согласно изобретению, при необходимости для этого непрерывно проверяется химический состав горючего газа и технически чистого кислорода и корректируется сообразно желательной температуре пламени адиабатического горения.

Горючий газ включает коксовый газ, но он может также включать еще и другие газы, предпочтительно газы с незначительным содержанием СО₂ и/или Н₂О и с высоким содержанием СО, Н₂, СН₄ и/или других органических веществ. Как правило, эти газы должны иметь большое содержание веществ с высокой теплотворной способностью. Поэтому важно, чтобы при сгорании горючего газа с технически чистым кислородом достигалась температура пламени адиабатического горения свыше 1000°C, предпочтительно более 1300°C, в особенности предпочтительно более 1500°C. Предпочтительно, чтобы содержание коксового газа в горючем газе после пуска установки постепенно повышалось до 80%, в особенности предпочтительно до 90%, еще более предпочтительно до 99%. В текущем режиме эксплуатации установки горючий газ также может состоять исключительно из коксового газа, то есть, содержание коксового газа в горючем газе тогда составляет 100%.

Коксовый газ представляет собой газ, который выпускается или, соответственно, выводится из установки для получения кокса, в частности, коксовальной установки, и содержит кислород в молекулярной форме (О₂).

Благодаря этому достигается такое преимущество, что к горючему газу при сгорании в нагревательном устройстве нужно добавлять меньшее количество технически чистого кислорода. Применение коксового газа в качестве поставщика кислорода позволяет обеспечить экономичное использование и, соответственно, полезную утилизацию коксового газа.

Но наряду с кислородом, коксовый газ содержит также большую долю органических веществ, таких как газообразные углеводороды, газообразные ароматические углеводороды, в частности, BTX-газы (бензол, толуол, этилбензол, ксилол), смолы, и прочие газообразные или тонкодисперсные компоненты, которые в описываемом способе являются нежелательными. Эти компоненты, например, налипают на внутренние поверхности подводящих коксовый газ трубопроводов, они накапливаются на внутренних поверхностях установок для хранения коксового газа или для переработки коксового газа. Эти компоненты коксового газа, применяемого в качестве горючего газа в нагревательном устройстве, в случае, например, неполного сгорания в нагревательном устройстве, могут конденсироваться и приводить к залипанию или засорению трубопроводов, расположенных после нагревательного устройства. Кроме того, не полностью сгоревшие компоненты переносятся с выводимым из нагревательного устройства восстановительным газом в восстановительный реактор и могут там причинять вред, например, вследствие налипания и забивания. При этом «не полностью сгоревшие» означает, что присутствующие в коксовом газе и соответственно горючем газе нежелательные компоненты после сгорания находятся в таком состоянии, что возникает опасность повреждений вследствие налипаний, комкования и/или накопления остатков.

Образующееся во время горения пламя имеет температуру пламени адиабатического горения свыше 1000°C, предпочтительно более 1300°C, в особенности предпочтительно более 1500°C.

На основе этой высокой температуры пламени адиабатического горения большая часть присутствующих в горючем газе нежелательных компоненты при горении полностью выгорает. То есть, нежелательные компоненты после сгорания находятся в состоянии, в котором опасность повреждений вследствие налипаний, комкования и/или накопления остатков по большей части уже не возникает. Нежелательные компоненты, в частности, длинноцепочечные углеводороды, при сгорании, по меньшей мере частично, расщепляются. Эти образующиеся при этом продукты сгорания имеют свойство связываться с другими веществами, в частности, с вводимым в нагревательное устройство технологическим газом, благодаря чему получается оптимальная смесь технологического газа с образовавшимися при горении горючего газа продуктами сгорания. Еще одно преимущество, которое достигается вследствие свойства продуктов сгорания, состоит в том, что укорачиваются дореакционные пробеги. Дореакционный пробег представляет собой ту дистанцию, которая в среднем требуется для продуктов сгорания до того, как они образуют связь с технологическим газом, точнее, с компонентами, из которых состоит технологический газ. Благодаря этому обеспечивается быстрая передача тепловой энергии технологическому газу, в частности, компонентам технологического газа, в результате смешения технологического газа с образовавшимися при горении горючего газа продуктами сгорания. Необходимый для смешения объем и, соответственно, габаритные параметры и размеры нагревательного устройства тем самым могут быть сделаны меньшими по величине, чем в случае известных из прототипа подобных нагревательных устройств.

Поэтому коксовый газ может быть использован без предварительной, сложной и дорогостоящей подготовки, по меньшей мере частично, непосредственно в качестве горючего газа в нагревательном устройстве, с незначительной опасностью повреждений вследствие налипаний, комкования и/или накопления остатков, в соответствующем изобретению устройстве для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Подводимый в восстановительный реактор восстановительный газ попадает на содержащие оксиды железа сырьевые материалы или, соответственно, на уже восстановленные до железа компоненты шихты. По обстоятельством, оставшиеся в восстановительном газе нежелательные компоненты при этом реагируют с железом как катализатором с образованием веществ, которые уже не представляют опасности в отношении налипаний, комкования и/или накопления остатков в соответствующем изобретению устройстве.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что технологический газ происходит из устройства для отделения СО₂.

Устройство для отделения СО₂ представляет собой, например, PSA-установку (адсорбционного разделения при переменном давлении), VPSA-установку (вакуумно-напорной адсорбции при переменном давлении), или устройство для разделения газовых смесей с помощью мембранной техники и/или химической реакции. Происходящий из устройства для отделения СО₂ технологический газ обладает восстановительным потенциалом, то есть, технологический газ имеет высокое содержание СО и/или Н₂, и поэтому может восстанавливать содержащие оксиды железа сырьевые материалы до железа. В устройство для отделения СО₂ подается содержащий СО₂ сырьевой газ, который после отделения по меньшей мере частичного количества содержащегося в сырьевом газе СО₂ выводится из устройства для отделения СО₂ в качестве технологического газа. Сырьевой газ представляет собой, например, обогащенный СО₂ утилизируемый газ, который происходит из установки для получения чугуна и/или стальных полуфабрикатов. В частности, эта установка может представлять собой COREX^®-установку, FINEX^®-установку, реактор для восстановительной плавки, шахтный реактор для восстановления содержащих оксиды железа материалов, доменную печь, реактор с псевдоожиженным слоем или реактор со стационарным слоем, или также установку для прямого восстановления. При отделении СО₂ от сырьевого газа образуется, с одной стороны, технологический газ с более низким содержанием СО₂, чем в сырьевом газе, и, с другой стороны, остаточный газ с более высоким содержанием СО₂, чем в сырьевом газе.

Этот вариант исполнения обеспечивает то преимущество, что утилизируемый газ с бывшим, слишком низким для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов восстановительным потенциалом, после отделения СО₂ от утилизируемого газа может быть повторно использован в качестве восстановительного газа в восстановительном реакторе для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что горючий газ включает по меньшей мере одно частичное количество технологического газа.

К горючему газу перед введением в нагревательное устройство примешивается по меньшей мере частичное количество технологического газа, выведенного из устройства для отделения СО₂. Хотя при этом в процессе сгорания горючего газа в нагревательном устройстве из-за примешанного частичного количества технологического газа снижается восстановительный потенциал, однако в этом предпочтительном варианте исполнения получается такое большое преимущество, что колебания количеств и/или давления коксового газа могут быть без особого труда скомпенсированы переменным примешиванием частичного количества технологического газа, и тем самым созданы постоянные условия во всем процессе в целом, в частности, при восстановлении содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе. Дополнительно достигается такое преимущество, что к содержащему коксовый газ горючему газу может быть примешано такое количество технологического газа, чтобы температура вспышки горючего газа была снижена ниже температуры горючего газа.

Один дополнительный предпочтительный вариант исполнения отличается тем, что горючий газ состоит из коксового газа.

Весь технологический газ в целом нагревается в нагревательном устройстве без существенного снижения его восстановительного потенциала - так как он не сжигается в нагревательном устройстве с кислородом. Весь технологический газ в целом смешивается в нагревательном устройстве с продуктами сгорания, образовавшимися при сжигании коксового газа, и не сжигается.

В результате этого достигается такое преимущество, что весь восстановительный потенциал, уже имевшийся у технологического газа, остается неизменным и у восстановительного газа, выведенного из нагревательного устройства, и почти весь восстановительный потенциал может быть использован при восстановлении содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе.

Один дополнительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что по меньшей мере частичное количество технологического газа перед введением в нагревательное устройство подвергается предварительному подогреванию в результате косвенного теплообмена. Если в нагревательное устройство вводится уже предварительно подогретый технологический газ, то при данной температуре восстановительного газа «преодолеваемая» разность температур сокращается по сравнению с разностью температур между не подогретым предварительно технологическим газом и температурой восстановительного газа.

Благодаря этому достигается такое преимущество, что для нагревания технологического газа должно использоваться меньшее количество горючего газа, и, соответственно, может быть применен горючий газ более низкого качества, в частности, с меньшим содержанием горючих компонентов.

Один дополнительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что горючий газ и/или технически чистый кислород перед сжиганием горючего газа в нагревательном устройстве подвергается предварительному подогреванию путем косвенного теплообмена.

Один вариант осуществления изобретения получается в результате того, что предварительное подогревание частичного количества технологического газа производится до температуры выше 300°C, предпочтительно выше 400°C, еще более предпочтительно выше 600°C.

Если предварительное подогревание выполняется посредством теплообменника косвенного нагрева с металлическими трубопроводами, то при указанных температурах не возникает так называемое «металлическое пылеобразование», или если и происходит, то только в незначительной степени. Под «металлическим пылеобразованием» следует понимать разрушение металлических материалов, например, металлических трубопроводов теплообменника с косвенным нагревом, в результате контакта с веществами, содержащими монооксид углерода.

Один дополнительный вариант осуществления изобретения получается, когда выведенный из нагревательного устройства восстановительный газ имеет температуру свыше 750°C, предпочтительно более 830°C, в особенности предпочтительно свыше 850°C.

Если восстановительный газ вводится в восстановительный реактор при указанных температурах, то обеспечивается оптимальное восстановление содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе.

Один вариант исполнения отличается тем, что коксовый газ перед его сжиганием в нагревательном устройстве подвергается обработке в процессе очистки.

Процесс очистки состоит, в частности, из грубой очистки, в частности, из сухого или мокрого обеспыливания. Соответственно этому, достигается такое преимущество, что из потока коксового газа удаляются более крупные, увлекаемые потоком коксового газа частицы твердых веществ, и по этой причине не оказывают негативного влияния на последующие устройства и установки в описываемом способе.

Один дополнительный предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что восстановительный газ, израсходованный при восстановлении содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе, выводится в виде колошникового газа, и производится предварительное подогревание частичного количества технологического газа путем косвенного теплообмена по меньшей мере с частичным количеством колошникового газа, и/или с образующимся в устройстве для отделения СО₂ остаточным газом, и/или с газовой смесью из частичного количества выведенного колошникового газа и остаточного газа, и/или с частичным количеством сырьевого газа.

Если в устройство для отделения СО₂ подается СО₂-содержащий газ, то в результате отделения СО₂ от этого подводимого газа создается, с одной стороны, технологический газ с меньшим содержанием СО₂, чем в подводимом газе, и, с другой стороны, остаточный газ с более высоким содержанием СО₂, чем в подводимом газе, причем непосредственно после устройства для отделения СО₂ остаточный газ может иметь более высокую температуру, чем технологический газ. Теплосодержание колошникового газа, и/или остаточного газа, и/или газовой смеси из колошникового газа и остаточного газа, и/или сырьевого газа используется в этом процессе косвенного теплообмена для предварительного подогревания частичного количества технологического газа, из чего достигается такое преимущество, что для предварительного подогревания должно расходоваться меньшее количество энергии из других источников.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения достигается тем, что выведенный из нагревательного устройства восстановительный газ перед его введением в восстановительный реактор подвергается частичному сожжению с технически чистым кислородом и/или горючим газом.

При этом часть восстановительного газа при добавлении технически чистого кислорода сгорает, в результате чего достигается такое преимущество, что температура восстановительного газа за короткий срок может быть приспособлена к условиям в восстановительном реакторе, в частности, точно отрегулирована. Например, тем самым температура восстановительного газа может быть повышена по меньшей мере на 20°C, предпочтительно по меньшей мере на 30°C, еще более предпочтительно по меньшей мере на 40°C. Благодаря этому можно быстро реагировать на колебания условий в восстановительном реакторе, например, на вариации находящегося в восстановительном реакторе количества содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Дополнительным предметом изобретения является устройство для исполнения способа, включающее восстановительный реактор с выпускным трубопроводом для колошникового газа, чтобы отводить колошниковый газ из восстановительного реактора, нагревательное устройство для нагревания технологического газа с впадающим в восстановительный реактор трубопроводом для восстановительного газа, и в каждом случае по меньшей мере с одним впадающим в нагревательное устройство подводящим трубопроводом для горючего газа, чтобы подавать горючий газ, подводящим кислородным трубопроводом для подачи технически чистого кислорода, и первым подводящим трубопроводом для технологического газа, чтобы подавать по меньшей мере первое частичное количество технологического газа, причем подводящий трубопровод для горючего газа берет начало от установки для получения кокса, в частности, коксовальной установки, и/или от установки для хранения коксового газа, в частности, газгольдера.

При этом указания местоположения, такие как «перед» или «после», всегда означают положение, которое рассматривается по направлению скорости течения соответствующего газа, в частности, горючего газа, колошникового газа, восстановительного газа, остаточного газа, и газовой смеси.

По обстоятельствам, в одном или многих из указанных трубопроводов предусмотрены устройства для регулирования давления и/или количества протекающего в соответствующих трубопроводах газа. В отношении этих устройств для регулирования давления и/или для контролирования величины расхода потока речь может идти, в частности, о напорных клапанах, клапанах для регулирования давления или компрессорах.

Под технически чистым кислородом в рамках настоящего изобретения следует понимать газовую смесь с содержанием кислорода свыше 50%, предпочтительно более 80%, еще более предпочтительно свыше 90% и наиболее предпочтительно более 99%. Подводящий трубопровод для горючего газа может иметь начало из всех без исключения установок, в которых коксовый газ получается, сохраняется, перерабатывается или потребляется.

Зачастую подобный коксовый газ попросту сжигается, без использования содержащейся в нем энергии в дополнительном процессе, в частности, в способе восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Преимущество соответствующего изобретению устройства состоит в том, что коксовый газ, который образуется или хранится в установке для получения кокса и/или в установке для хранения коксового газа, может быть утилизирован в способе восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, при необходимости после подготовки путем сжигания.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что в подводящем трубопроводе для технологического газа размещено устройство для отделения СО₂, чтобы отделять СО₂ от сырьевого газа, подаваемого через трубопровод для сырьевого газа.

Один вариант осуществления изобретения отличается тем, что предусматривается впадающий в подводящий трубопровод для горючего газа второй подводящий трубопровод для технологического газа, чтобы подавать по меньшей мере второе частичное количество технологического газа, происходящего из устройства для отделения СО₂.

В частности, трубопровод для горючего газа соединяет первый трубопровод для технологического газа непосредственно с трубопроводом для горючего газа. Во втором трубопроводе для технологического газа при необходимости предусмотрено устройство для регулирования давления и/или количества технологического газа во втором трубопроводе для технологического газа.

Один дополнительный вариант осуществления изобретения получается в результате того, что в первом подводящем трубопроводе для технологического газа размещено устройство для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа.

В частности, это устройство для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа выполнено в виде устройства для косвенного теплообмена.

Другой вариант осуществления изобретения получается в результате того, что в подводящем трубопроводе для горючего газа, перед впадением в подводящий трубопровод для горючего газа второго подводящего трубопровода для технологического газа, предусмотрено очистительное устройство для очистки газов.

В частности, очистительное устройство может представлять собой устройство для мокрого обеспыливания или сухого обеспыливания. Очистительное устройство пригодно для отфильтровывания по меньшей мере крупных частиц твердых материалов от протекающего через очистительное устройство газа.

В одном дополнительном предпочтительном варианте исполнения в устройство для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа впадает подводящий трубопровод для колошникового газа для подачи по меньшей мере частичного количества колошникового газа, и/или подводящий трубопровод для остаточного газа для подачи остаточного газа, выходящего из устройства для отделения СО₂, и/или подводящий трубопровод для подачи газовой смеси из частичного количества колошникового газа и остаточного газа.

Этот вариант исполнения соответствующего изобретению устройства обеспечивает возможность того, что теплосодержание колошникового газа, и/или остаточного газа, и/или газовой смеси из колошникового газа и остаточного газа, может быть использовано для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа. Если устройство для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа представляет собой устройство для косвенного теплообмена, то достигается такое преимущество, что в случае появления неплотностей вследствие износа первого трубопровода для технологического газа в теплообменнике не возникает опасность воспламенения технологического газа.

Один предпочтительный вариант исполнения отличается тем, что в трубопроводе для восстановительного газа размещено устройство для регулирования температуры и/или химического состава восстановительного газа.

С помощью этого устройства может быть отрегулирована температура восстановительного газа перед введением восстановительного газа в восстановительный реактор, в частности, повышена, чтобы обеспечить оптимальную для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов температуру восстановительного газа. Например, тем самым температура восстановительного газа может быть повышена по меньшей мере на 20°C, предпочтительно по меньшей мере на 30°C, еще более предпочтительно по меньшей мере на 40°C. Благодаря этому можно быстро реагировать на колебания условий в восстановительном реакторе, например, на вариации находящегося в восстановительном реакторе количества содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Дополнительным предметом изобретения является применение устройства для исполнения вышеописанного способа.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет разъяснено в качестве примера с помощью сопроводительных чертежей.

Фиг. 1 показывает в виде примера и схематически соответствующий изобретению способ и конфигурацию соответствующего изобретению устройства для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Фиг. 2 показывает необязательный полезный вариант исполнения соответствующего изобретению способа и необязательную полезную конфигурацию соответствующего изобретению устройства для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов.

Описание вариантов осуществления изобретения

На Фиг. 1 в виде примера и схематически изображены способ и устройство для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, которые включают соответствующий изобретению способ и соответствующее изобретению устройство.

Начерченные на Фиг. 1 стрелки обозначают данные фактические и/или возможные направления течения протекающих в соответствующем изобретению устройстве газовых потоков в обычном эксплуатационном состоянии устройства и, соответственно, способа.

В соответствующем изобретению способе в восстановительный реактор (1) через трубопровод (4) для восстановительного газа подается восстановительный газ. Подводимый восстановительный газ протекает в восстановительный реактор (1), при этом находящиеся в восстановительном реакторе (1) содержащие оксиды железа сырьевые материалы восстанавливаются. При этом восстановительный газ расходуется и в качестве колошникового газа выводится из восстановительного реактора (1) через выпускной трубопровод (2) для колошникового газа. Восстановительный газ получается таким образом, что сырьевой газ через трубопровод (20) для сырьевого газа поступает в устройство (8) для отделения СО₂ и из него через первый подводящий трубопровод (7) для технологического газа выводится в качестве технологического газа. Технологический газ вводится в нагревательное устройство (3) через впадающий в нагревательное устройство (3) первый подводящий трубопровод (7) для технологического газа. В нагревательное устройство (3) через подводящий трубопровод (5) для горючего газа дополнительно подается горючий газ, и через подводящий трубопровод (6) для кислорода вводится технически чистый кислород. В нагревательном устройстве (3) горючий газ сгорает при добавлении технически чистого кислорода. Возникающее при горении пламя имеет, например, температуру пламени адиабатического горения свыше 1000°C. В нагревательном устройстве (3) происходит смешение введенного технологического газа с продуктами сгорания, образовавшимися при горении горючего газа. Введенный в нагревательное устройство (3) технологический газ при этом нагревается и в качестве восстановительного газа через трубопровод (4) для восстановительного газа выводится из нагревательного устройства (3). Как правило, технологический газ вводится в нагревательное устройство (3) с температурой свыше 300°C, и в качестве восстановительного газа выводится из него при температуре более 800°C. Подаваемый в нагревательное устройство (3) горючий газ поступает, например, из установки (10) для получения кокса, в частности, коксовальной установки, и/или из установки (19) для хранения коксового газа, в частности, газгольдера.

На Фиг. 2 в виде примера и схематически изображены необязательный вариант исполнения способа и необязательная полезная конфигурация устройства для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, которые включают соответствующий изобретению способ и соответствующее изобретению устройство.

Начерченные на Фиг. 2 стрелки обозначают данные фактические и/или возможные направления течения протекающих в соответствующем изобретению устройстве газовых потоков в обычном эксплуатационном состоянии устройства и, соответственно, способа.

Один дополнительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что к горючему газу перед сожжением в нагревательном устройстве (3) через второй подводящий трубопровод (9) для технологического газа подается частичное количество технологического газа. Горючий газ сгорает в нагревательном устройстве (3) при добавлении технически чистого кислорода. Подаваемое в нагревательное устройство (3) через первый подводящий трубопровод (7) для технологического газа частичное количество технологического газа при этом нагревается, например, до температуры 800°C, и выводится из нагревательного устройства (3) в качестве восстановительного газа через трубопровод (4) для восстановительного газа. Перед введением восстановительного газа в восстановительный реактор (1) восстановительный газ подогревается в устройстве (16) для регулирования температуры и/или химического состава восстановительного газа, например, от температуры 800°C до 830°C. Подогревание выполняется таким образом, что восстановительный газ, подаваемый в устройство (16) для регулирования температуры и/или химического состава восстановительного газа, частично сгорает с технически чистым кислородом, поступающим через подводящий трубопровод (18) для газообразного окислителя, и/или с горючим газом, подаваемым через второй подводящий трубопровод (17) для горючего газа. Горючий газ представляет собой, например, коксовый газ, который непосредственно через второй подводящий трубопровод (17) для горючего газа поступает в нагревательное устройство (3). Перед местом присоединения второго подводящего трубопровода (9) для технологического газа к подводящему трубопроводу (5) для горючего газа и перед отходящим от подводящего трубопровода (5) для горючего газа вторым подводящим трубопроводом (17) для горючего газа размещено находящееся в подводящем трубопроводе (5) для горючего газа очистительное устройство для очистки газов, например, фильтр. Этот фильтр служит для грубого осаждения частиц твердых материалов из горючего газа. Трубопровод (5) для горючего газа отходит от установки (10) для получения кокса, например, коксовальной установки, и/или установки (19) для хранения коксового газа, например, газгольдера. Подаваемое в нагревательное устройство (3) через первый подводящий трубопровод (7) для технологического газа частичное количество технологического газа, перед его поступлением в устройство (11) для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа, путем косвенного теплообмена доводится до температуры, например, свыше 300°C. Подаваемый в восстановительный реактор (1) восстановительный газ выводится из восстановительного реактора (1) в качестве колошникового газа через трубопровод (2) для колошникового газа, и частичное количество выведенного колошникового газа подается в устройство (11) через подводящий трубопровод (13) для колошникового газа для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа. Необязательно, в устройство (11) для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа через подводящий трубопровод (14) для остаточного газа подается остаточный газ, образованный в устройстве (8) для отделения СО₂ при отделении СО₂ от сырьевого газа. Дополнительный вариант получается, когда в устройство (11) для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа подается газовая смесь из колошникового газа и остаточного газа через подводящий трубопровод (15) для подачи газовой смеси. Эти различные варианты подачи управляются с помощью регулировочных вентилей (21). Косвенный теплообмен производится путем теплообмена колошникового газа, и/или остаточного газа, и/или газовой смеси из колошникового газа и остаточного газа, с частичным количеством технологического газа, протекающим через устройство (11) для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа.

Хотя изобретение в деталях было подробно иллюстрировано и описано на предпочтительных примерах исполнения, тем не менее, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами, и другие вариации могут быть выведены из него специалистом, без выхода за пределы патентной защиты изобретения.

Список условных обозначений

1 Восстановительный реактор

2 Выпускной трубопровод для колошникового газа

3 Нагревательное устройство

4 Трубопровод для восстановительного газа

5 Подводящий трубопровод для горючего газа

6 Подводящий трубопровод для кислорода

7 Первый подводящий трубопровод для технологического газа

8 Устройство для отделения СО₂

9 Второй подводящий трубопровод для технологического газа

10 Установка для получения кокса

11 Устройство для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа

12 Очистительное устройство для очистки газов

13 Подводящий трубопровод для колошникового газа

14 Подводящий трубопровод для остаточного газа

15 Подводящий трубопровод для подачи газовой смеси

16 Устройство для регулирования температуры и/или химического состава восстановительного газа

17 Второй подводящий трубопровод для горючего газа

18 Подводящий трубопровод для газообразного окислителя

19 Установка для хранения коксового газа

20 Трубопровод для сырьевого газа

21 Регулировочный клапан

Изобретение относится к способу и устройству для восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, при котором в восстановительный реактор (1), содержащий сырьевые материалы, включающие оксиды железа, подается восстановительный газ. Восстановительный газ получается таким образом, что технологический газ с восстановительным потенциалом вводится в нагревательное устройство (3) для нагревания технологического газа и выводится из него в качестве восстановительного газа. В нагревательном устройстве (3) происходит передача тепловой энергии технологическому газу, причем тепловая энергия генерируется в нагревательном устройстве при сгорании содержащего органическое вещество горючего газа, который включает происходящий из установки для получения кокса коксовый газ, при добавлении технически чистого кислорода. Образующееся при горении пламя имеет температуру пламени адиабатического горения свыше 1000°С, причем при сгорании горючего газа по меньшей мере часть содержащегося в горючем газе органического вещества разлагается. Изобретение позволяет повысить восстановительный потенциал технологического газа. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ восстановления содержащих оксиды железа сырьевых материалов, при котором в восстановительный реактор, содержащий сырьевые материалы, включающие оксиды железа, подается восстановительный газ, причем восстановительный газ получается таким образом, что технологический газ с восстановительным потенциалом вводится в нагревательное устройство для нагревания технологического газа и выводится из него в качестве восстановительного газа, и в нагревательном устройстве производится передача тепловой энергии технологическому газу, отличающийся тем, что тепловая энергия генерируется в нагревательном устройстве при сгорании содержащего коксовый газ горючего газа, при добавлении технически чистого кислорода, причем образующееся при горении пламя имеет температуру пламени адиабатического горения свыше 1000°С, предпочтительно более 1300°С, в особенности предпочтительно свыше 1500°С, при котором по меньшей мере часть содержащегося в горючем газе органического вещества разлагается, и причем передача тепловой энергии технологическому газу в прямом теплообмене производится путем смешения технологического газа с продуктами сгорания, образовавшимися при сгорании горючего газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что технологический газ происходит из устройства для отделения СО₂.

3. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что горючий газ включает по меньшей мере частичное количество технологического газа.

4. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что горючий газ состоит из коксового газа.

5. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере частичное количество технологического газа перед введением в нагревательное устройство подвергается предварительному подогреванию путем косвенного теплообмена.

6. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что горючий газ и/или технически чистый кислород перед сжиганием горючего газа в нагревательном устройстве подвергается предварительному подогреванию путем косвенного теплообмена.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что предварительное подогревание частичного количества технологического газа производится до температуры свыше 300°С, предпочтительно более 400°С, еще более предпочтительно свыше 600°С.

8. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что выведенный из нагревательного устройства восстановительный газ имеет температуру свыше 750°С, предпочтительно более 830°С, в особенности предпочтительно более 850°С.

9. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что коксовый газ перед его сгоранием в нагревательном устройстве подвергается обработке в процессе очистки.

10. Способ по п. 5, отличающийся тем, что израсходованный при восстановлении содержащих оксиды железа сырьевых материалов в восстановительном реакторе восстановительный газ выводится в виде колошникового газа, и производится предварительное подогревание частичного количества технологического газа путем косвенного теплообмена по меньшей мере с частичным количеством колошникового газа, и/или с образующимся в устройстве для отделения СО₂ остаточным газом, и/или с газовой смесью из частичного количества выведенного колошникового газа и остаточного газа.

11. Способ по одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что выведенный из нагревательного устройства восстановительный газ, перед его введением в восстановительный реактор, подвергается частичному сожжению с технически чистым кислородом и/или с горючим газом.

12. Устройство для исполнения способа по одному из пп. 1-11, включающее восстановительный реактор (1) с выпускным трубопроводом (2) для колошникового газа, чтобы отводить колошниковый газ из восстановительного реактора (1), нагревательное устройство (3) для нагревания технологического газа с впадающим в восстановительный реактор (1) трубопроводом (4) для восстановительного газа и в каждом случае по меньшей мере с одним впадающим в нагревательное устройство (3) подводящим трубопроводом (5) для горючего газа, чтобы подавать горючий газ, подводящим кислородным трубопроводом (6) для подачи технически чистого кислорода, и первым подводящим трубопроводом (7) для технологического газа, чтобы подавать по меньшей мере первое частичное количество технологического газа, отличающееся тем, что подводящий трубопровод (5) для горючего газа берет начало от установки (10) для получения кокса, в частности, коксовальной установки, и/или от установки (19) для хранения коксового газа, в частности, газгольдера.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что в подводящем трубопроводе (7) для технологического газа размещено устройство (8) для отделения СО₂, чтобы отделять СО₂ от сырьевого газа, подаваемого через трубопровод (20) для сырьевого газа.

14. Устройство по одному из пп. 12 или 13, отличающееся тем, что предусматривается впадающий в подводящий трубопровод (5) для горючего газа второй подводящий трубопровод (9) для технологического газа, для подачи по меньшей мере второго частичного количества технологического газа.

15. Устройство по одному из пп. 12 или 13, отличающееся тем, что в первом подводящем трубопроводе (7) для технологического газа размещено устройство (11) для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что в подводящем трубопроводе (5) для горючего газа, перед местом присоединения второго подводящего трубопровода (9) для технологического газа к подводящему трубопроводу (5) для горючего газа, имеется очистительное устройство (12) для очистки газов.

17. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что в устройство (11) для предварительного подогревания первого частичного количества технологического газа впадает подводящий трубопровод (13) для колошникового газа для подачи по меньшей мере частичного количества колошникового газа, и/или подводящий трубопровод (14) для остаточного газа для подачи выходящего из устройства (8) для отделения СО₂ остаточного газа, и/или подводящий трубопровод (15) для подачи газовой смеси из частичного количества колошникового газа и остаточного газа.

18. Устройство по одному из пп. 12 или 13, отличающееся тем, что в трубопроводе (4) для восстановительного газа размещено устройство (16) для регулирования температуры и/или химического состава восстановительного газа.

19. Применение устройства по одному из пп. 12-18 для исполнения способа по одному из пп. 1-11.