СИСТЕМА И СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК C21B13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе и способу прямого восстановления, в частности, для производства железа путем прямого восстановления железной руды с помощью восстановительного газа.

Уровень техники

Известные системы производства восстановленного железа (прямовосстановленного железа, DRI) состоят из реакционной камеры или реактора, в который загружают оксид железа в виде окатышей и/ или агломератов, и линии очистки и подачи восстановительного газа для восстановления оксида железа в реакторе. В реакционной камере (реакторе) восстановительный газ нагнетают при высокой температуре. В системах прямого восстановления, содержащих реактор шахтного типа с подвижным слоем катализатора, имеющий зону восстановления, восстановительный газ нагнетают в нижнюю часть зоны восстановления в реакторе и подают выше по потоку через слой оксида железа, который затем нагнетают из верхней части зоны восстановления после регенерации и рециркуляции отработавшего газа. Отработавший газ, выходящий из реактора, подвергают соответствующей очистке, которая предусматривает удаление пыли и продуктов реакции (H₂O и CO₂) и сжатие; а затем смешивают со свежим газом (обычно со свежим природным газом). Поток газа, представляющий собой смесь свежего газа и отработавшего газа, рециркулированного после вышеуказанной очистки, направляют в нагревательное устройство, которое нагревает газ до температуры, необходимой для восстановления (обычно выше +850°C). Нагревательное устройство может представлять собой пламенный нагреватель или установку для конверсии метана.

Нагретый поток восстановительного газа, в который нагнетают кислород для дополнительного увеличения температуры, направляют в реактор, в котором окатыши и/ или агломераты руды, содержащие восстанавливаемые оксиды железа, подают сверху, а с противоположного конца выгружают прямовосстановленное железо (продукты железа прямого восстановления), которое направляют в плавильную печь с помощью пневматической или самотечной системы транспортировки или с помощью лент.

В частности, во время восстановления оксида железа из железной руды удаляют кислород, используя химические реакции с водородом и монооксидом углерода, чтобы получить прямовосстановленное железо с высокой степенью металлизации (соотношением железа и общего железа в прямовосстановленном железе). Общие реакции восстановления, используемые в данном способе, широко известны и представлены ниже:

Fe₂O₃ + 3H₂ -> 2Fe + 3H₂O (1)

Fe₂O₃ + 3CO -> 2Fe + 3CO₂ (2).

В результате реакций (1) и (2) водород и монооксид углерода, реагирующие с кислородом из оксида железа, преобразуются в воду и диоксид углерода. В отработавшем газе, выходящем из реактора, помимо H₂O и CO₂, также присутствуют непрореагировавшие H₂ и CO. Для восстановления и рециркуляции данных восстанавливающих агентов H₂ и CO отработавший газ обрабатывают, как описано выше.

Восстановление оксидов железа проходит при высокой температуре в реакторе восстановления, при этом полученное прямовосстановленное железо можно выгрузить из реактора при высокой температуре.

Недостаток заключается в том, что при техническом обслуживании или временной остановке плавильной печи по производственным причинам прямовосстановленное железо, которое не было загружено в плавильную печь, должно быть перенаправлено в другие линии обработки, из которых обычно получают холодный готовый продукт. Во избежание длительной остановки и перезапуска системы прямого восстановления реактор с горячим выгружаемым продуктом всегда имеет альтернативный вариант охлаждения с помощью внешнего охладителя, загрузка в который может быть выполнена с помощью самотечной или пневматической системы транспортировки. Холодное изготавливаемое прямовосстановленное железо должно храниться в подходящих силосах для инертных материалов, чтобы исключить риск повторного окисления продукта из-за реакции металлического железа с кислородом и водой, содержащихся в воздухе. В качестве альтернативы данный материал может быть брикетирован (для производства горячебрикетированного железа, ГБЖ), что приводит к увеличению стоимости обработки для обеспечения высокой стабильности продукта, который можно транспортировать и хранить без специальных мер предосторожности.

Однако такое охлаждение прямовосстановленного железа требует монтажа систем охлаждения, транспортировки и хранения для холодного прямовосстановленного железа, что значительно усложняет конфигурацию системы восстановления.

Кроме того, при необходимости повторной подачи в плавильную печь наличие холодного прямовосстановленного железа, загруженного в плавильную печь, приведет к увеличению потребления энергии во время этапа плавления по сравнению с плавлением прямовосстановленного железа, загруженного в горячем состоянии.

В связи с этим возникает необходимость создания системы и способа прямого восстановления, позволяющих устранить вышеуказанные недостатки.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является создание системы прямого восстановления, которая позволит временно регулировать расход восстановительного газа, подаваемого в реактор, обеспечивая нормальные рабочие условия нагревательного устройства или установки для конверсии газа и тем самым изменяя производительность системы прямого восстановления в соответствии с технологическими требованиями плавильной печи без необходимости перенаправления выгружаемого горячего прямовосстановленного железа из реактора к месту производства холодного прямовосстановленного железа в случае остановки плавильной установки для производства стали, при этом настоящее изобретение позволяет ускорить производство горячего прямовосстановленного железа до номинального уровня реактора, когда плавильная печь требует максимальной подачи, и остановить производство, когда этого не требуется. Благодаря отсутствию необходимости монтажа систем охлаждения, транспортировки и хранения холодного прямовосстановленного железа настоящее изобретение значительно упрощает конфигурацию системы восстановления.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа прямого восстановления.

Настоящее изобретение позволяет достичь по крайней мере одной из указанных целей, при этом достижение других целей, которые станут очевидны после ознакомления с описанием, обеспечивают с помощью системы прямого восстановления оксидов железа, которая содержит:

- реактор, имеющий область восстановления и выполненный с возможностью загрузки оксидов железа сверху;

- линию очистки и подачи для очистки отработавшего газа с целью создания смеси восстановительного газа и подачи смеси восстановительного газа в область восстановления;

- линию восстановления и очистки для восстановления и очистки отработавшего газа, который выходит из реактора, соединенную выше по потоку с реактором, а ниже по потоку с линией очистки и подачи;

в которой предусмотрен по меньшей мере один перепускной канал, выполненный с возможностью перенаправления по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из линии очистки и подачи в линию восстановления и очистки;

в которой предусмотрены:

- по меньшей мере один первый регулирующий клапан для регулировки части смеси восстановительного газа, которая с помощью по меньшей мере одного перепускного канала достигает линии восстановления и очистки;

- по меньшей мере один второй регулирующий клапан для регулировки прохождения отработавшего газа, выходящего из реактора, по линии восстановления и очистки;

- по меньшей мере одно управляющее устройство для управления по крайней мере одним первым регулирующим клапаном и по крайней мере одним вторым регулирующим клапаном;

в которой управляющее устройство выполнено с возможностью приема первого сигнала, указывающего на расход нагнетания прямовосстановленного железа из реактора, и генерирования второго сигнала для управления по крайней мере одним первым регулирующим клапаном и третьего сигнала для управления по крайней мере одним вторым регулирующим клапаном.

По крайней мере один датчик предназначен для обнаружения расхода нагнетания прямовосстановленного железа из реактора в режиме реального времени и отправки первого сигнала на управляющее устройство. При обнаружении заранее заданного запроса подачи от электрической плавильной печи, расположенной ниже по потоку относительно реактора, управляющее устройство генерирует второй и третий сигналы для достижения или поддержания желаемого расхода нагнетания прямовосстановленного железа из реактора.

Линия очистки и подачи может содержать нагревательное устройство или установку для конверсии.

Линия восстановления и очистки может содержать насосное устройство.

Также в соответствии с изобретением заявлен способ прямого восстановления, который может быть осуществлен с помощью вышеуказанной системы и предусматривает следующие этапы:

a) подают смесь восстановительного газа в область восстановления реактора с помощью линии очистки и подачи;

b) восстанавливают и очищают отработавший газ, выходящий из реактора, с помощью линии восстановления и очистки, соединенной ниже по потоку с линией очистки и подачи;

в котором предусмотрено перенаправление по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из линии очистки и подачи в линию восстановления и очистки с помощью по крайней мере одного перепускного канала;

в котором предусмотрены следующие этапы:

- регулируют по крайней мере одну часть смеси восстановительного газа с помощью по крайней мере одного первого регулирующего клапана, которая с помощью по крайней мере одного перепускного канала достигает линии восстановления и очистки;

- регулируют прохождение отработавшего газа, выходящего из реактора, по линии восстановления и очистки с помощью по крайней мере одного второго регулирующего клапана;

- регулируют по крайней мере один первый регулирующий клапан и по крайней мере один второй регулирующий клапан с помощью по крайней мере одного управляющего устройства;

в котором по крайней мере одно управляющее устройство принимает первый сигнал, указывающий на расход нагнетания прямовосстановленного железа из реактора, и генерирует второй сигнал для регулировки по крайней мере одного первого регулирующего клапана и третий сигнал для регулировки по крайней мере одного второго регулирующего клапана.

Решение, соответствующее настоящему изобретению, позволяет системе прямого восстановления работать с переменной производительностью в зависимости от запроса материала, выданного плавильной печью. Контур подачи восстановительного газа предназначен для регулировки потока к реактору. В сущности, из контура подачи восстановительного газа, расположенного снаружи реактора, поступает такое количество восстановительного газа, которое необходимо для обеспечения производительности, требуемой в настоящий момент для плавильной печи.

В частности, система прямого восстановления, соответствующая настоящему изобретению, предусматривает изменение производительности системы в зависимости от потребностей плавильной печи, добавление перепускного ответвления или канала в контур подачи восстановительного газа для того, чтобы изменять (возможно, полностью останавливать) подачу восстановительного газа в реактор. Данное перепускное ответвление используют, когда плавильная печь совсем не нуждается или нуждается в меньшем количестве материала: сюда можно отнести перенаправление восстановительного газа и его рециркуляцию снаружи реактора до тех пор, пока плавильная печь не вернется в состояние, в котором она сможет получить расплавляемый материал. Данный подход позволяет замедлить или остановить производство прямовосстановленного железа с помощью системы прямого восстановления без остановки самой системы.

В соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения перепускное ответвление соединяет участок линии очистки и подачи восстановительного газа, который предпочтительно находится между устройством нагнетания кислорода, расположенным ниже по потоку относительно нагревательного устройства или установки для конверсии, и реактором, с участком линии восстановления и очистки отработавшего газа, который предпочтительно находится между реактором и насосным устройством для перекачки очищенного отработавшего газа в линию очистки и подачи.

В соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения предпочтительно, перепускное ответвление соединяет участок, расположенный ниже по потоку относительно нагревательного устройства или установки для конверсии линии очистки и подачи восстановительного газа, с участком, расположенным между установкой промывки отработавшего газа и конденсационной установкой вдоль линии восстановления и очистки отработавшего газа.

Такое перепускное ответвление может предусматривать систему водного или быстрого охлаждения, позволяющую снизить температуру проходящего через нее газа.

Между реактором системы прямого восстановления и плавильной печью может быть расположен только один или несколько промежуточных резервуаров для сброса давления, значительно упрощающих устройство установки для производства стали. Данные промежуточные резервуары, в которых временно хранят произведенное прямовосстановленное железо, позволяют обеспечить регулируемую подачу расплавляемого материала в плавильную печь.

Ниже приведены несколько основных преимуществ системы, соответствующей настоящему изобретению:

- отсутствие необходимости в монтаже систем охлаждения, транспортировки и хранения для холодного прямовосстановленного железа, что значительно упрощает конфигурацию системы;

- возможность постоянной загрузки горячего прямовосстановленного железа в плавильную печь для максимального снижения потребления энергии во время этапа плавления;

- представляет собой идеальное решение для производителей, имеющих небольшой запас лома;

- возможность полного контроля состава стали (без примесей или загрязнений, например, меди);

- повышение экологичности благодаря снижению выбросов диоксида углерода.

Дополнительные отличительные особенности и преимущества данного изобретения станут очевидны после рассмотрения подробного описания предпочтительных, но не исключительных вариантов его реализации.

В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

В описании настоящего изобретения приведены ссылки на прилагаемые чертежи, используемые для описания, а не для ограничения, на которых:

на Фиг. 1 показана схема первого варианта реализации системы прямого восстановления в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 показана схема второго варианта реализации системы прямого восстановления в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 3 показана схема третьего варианта реализации системы прямого восстановления в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

На сопроводительных чертежах показан пример системы прямого восстановления оксидов железной руды с помощью реакции со смесью восстановительного газа, полученной из технологического газа, при этом система, содержащая контур, имеет:

- реактор 1 (предпочтительно, одноступенчатый реактор), имеющий область 2 восстановления и выполненный с возможностью загрузки частиц, содержащих оксиды железной руды, сверху;

- линию 11 очистки и подачи для очистки технологического газа с целью получения смеси восстановительного газа и для подачи смеси восстановительного газа в область 2 восстановления;

- линию 10 восстановления и очистки для восстановления и очистки отработавшего газа, выходящего из реактора 1, при этом линия 10 соединена выше по потоку с реактором 1, а ниже по потоку с линией 11 очистки и подачи;

- внешний источник 26 свежего восстановительного газа, который подает свежий восстановительный газ в линию 11 очистки и подачи.

Данный свежий восстановительный газ может представлять собой природный газ или любой другой газ, обладающий восстановительными свойствами (например, конвертированный газ, водород, синтез-газ, коксовый газ (КГ) и так далее).

В данном описании термин «технологический газ» означает свежий восстановительный газ, поступающий из внешнего источника 26 (при этом отработавший газ, выходящий из реактора 1, не рециркулирует), или газовую смесь, полученную путем смешивания свежего восстановительного газа, поступающего из внешнего источника 26, с отработавшим газом, очищенным в линии 10 восстановления и очистки; при этом термин «смесь восстановительного газа» означает вышеуказанный технологический газ, очищенный в линии 11 очистки и подачи, то есть увлажненный (необязательно), нагретый и очищенный путем нагнетания кислорода.

Предпочтительно контур имеет по крайней мере один перепускной канал 30, например, один перепускной канал, для перенаправления по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из линии 11 очистки и подачи в линию 10 восстановления и очистки. Это позволяет регулировать расход восстановительного газа, подаваемого в реактор, изменять расход смеси восстановительного газа в соответствии со скоростью производства прямовосстановленного железа с помощью системы прямого восстановления и технологическими требованиями плавильной печи для прямовосстановленного железа, расположенной ниже по потоку относительно системы. Предпочтительно, плавильная печь для прямовосстановленного железа представляет собой электродуговую печь (ЭДП), расположенную ниже по потоку относительно реактора 1.

Предпочтительно предусмотрен по крайней мере один регулирующий клапан 32 для регулировки части смеси восстановительного газа, которая через перепускной канал 30 достигает линию 10 восстановления и очистки. При наличии двух или более перепускных каналов каждый перепускной канал должен иметь по крайней мере один регулирующий клапан.

Для лучшей адаптации скорости производства системы прямого восстановления к технологическим требованиям печи предусмотрено регулировочное устройство для регулировки загрузки железной руды, которая нагнетается сверху в реактор 1. Такое регулировочное устройство содержит, например, поворотный клапан, который (в зависимости от скорости) регулирует выходной расход нагнетания железной руды и, следовательно, подачу железной руды в реактор 1 оптимальным образом.

Кроме того, в нижней части реактора 1 может быть установлен вибрационный питатель 54 (См. Фиг. 3) для регулировки расхода нагнетания прямовосстановленного железа из реактора в соответствии с регулировкой расхода железной руды, нагнетаемой сверху в реактор.

Еще одним преимуществом может быть наличие охлаждающего устройства 31 вдоль перепускного канала 30 для охлаждения вышеуказанной части смеси восстановительного газа, которое позволяет снизить температуру газа, проходящего через канал 30, до достижения отработавшего газа в линии 10 восстановления и очистки.

В качестве примера данное охлаждающее устройство 31 может содержать устройство нагнетания охлаждающей воды и газожидкостный сепаратор (например, в виде каплеотбойника).

В соответствии с первым вариантом реализации, показанном на Фиг. 1, линия 11 очистки и подачи содержит:

- каналы, через которые может проходить технологический газ, полученный путем смешивания очищенного отработавшего газа, выходящего из реактора, и свежего восстановительного газа из внешнего источника 26;

- по крайней мере один блок 27 увлажнения технологического газа (необязательно), например, только один блок 27 увлажнения;

- по крайней мере одно нагревательное устройство или установку 12 для конверсии, например, только одно нагревательное устройство или установку 12 для конверсии;

- по крайней мере одно устройство 4 нагнетания, например, только одно устройство 4 нагнетания, расположенное ниже по потоку относительно нагревательного устройства 12 и выполненное с возможностью нагнетания кислорода в поток технологического газа.

Линия 10 восстановления и очистки содержит:

- каналы, через которые проходит отработавший газ, выходящий из реактора 1;

- по крайней мере один теплообменник 21, например, только один теплообменник, для охлаждения отработавшего газа, выходящего из реактора 1;

- по крайней мере одну установку 38 промывки для промывки отработавшего газа, например, только одну установку промывки, выполненную с возможностью промывки отработавшего газа промывочной водой и отделения отработавшего газа от промывочной воды;

- по крайней мере одну конденсационную установку 22, например, только одну конденсационную установку, расположенную ниже по потоку относительно по крайней мере одной установки 38 промывки, для удаления воды из отработавшего газа и получения осушенного газа.

Ниже по потоку относительно конденсационной установки 22 могут быть последовательно расположены по крайней мере одно насосное устройство 24, например, только одно насосное устройство, для перекачки осушенного газа в линию 11 очистки и подачи, устройство 39 охлаждения для охлаждения осушенного газа и устройство 25 удаления для удаления диоксида углерода.

Предпочтительно, каналы линии 10 восстановления и очистки, расположенные ниже по потоку относительно конденсационной установки 22, содержат:

- ответвительный канал 23, соединяющий линию 10 восстановления и очистки с горелками нагревательного устройства 12, в котором первый поток осушенного отработавшего газа может быть направлен к горелкам в качестве газового топлива;

- ответвительный канал 28, соединяющий линию 10 восстановления и очистки с линией 11 очистки и подачи, вдоль которого расположены насосное устройство 24, устройство 39 охлаждения и устройство 25 удаления диоксида углерода и в котором рециркулирует второй поток осушенного отработавшего газа.

Предпочтительно, вдоль ответвительного канала 23 расположен клапан 34 регулировки давления.

Нагревательное устройство 12 работает благодаря сгоранию соответствующего топлива, поступающего из источника 35. Топливо может представлять собой осушенный отработавший газ, поступающий из ответвительного канала 23, водород, природный газ или их смесь.

В соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения (См. Фиг. 1), по крайней мере один перепускной канал 30 соединяет участок линии 11 очистки и подачи, расположенный ниже по потоку относительно по крайней мере одного устройства 4 нагнетания, с участком линии 10 восстановления и очистки, расположенным между по крайней мере одной установкой 38 промывки и конденсационной установкой 22.

Предпочтительно, вдоль линии 10 восстановления и очистки расположен по крайней мере один дополнительный регулирующий клапан 33 для регулировки прохождения отработавшего газа из установки 38 промывки в конденсационную установку 22.

В более широком смысле достаточно, чтобы по крайней мере один перепускной канал 30 соединял участок линии 11 очистки и подачи, расположенный ниже по потоку относительно по крайней мере одного нагревательного устройства или установки 12 для конверсии, предпочтительно ниже по потоку или выше по потоку относительно по крайней мере одного устройства 4 нагнетания, с участком линии 10 восстановления и очистки, расположенным между реактором 1 и по крайней мере одним насосным устройством 24.

Линия 11 очистки и подачи соединена выше по потоку относительно линии 10 восстановления и очистки и внешнего источника 26 свежего восстановительного газа. В частности, внешний источник 26 соединен с участком контура, расположенным между устройством 25 удаления диоксида углерода линии 10 восстановления и очистки и нагревательным устройством 12 линии 11 очистки и подачи. Вдоль канала 36, соединяющего внешний источник 26 с линией 11 очистки и подачи, установлен клапан регулировки давления или регулирующий клапан 37.

По крайней мере один блок 27 увлажнения может быть установлен между внешним источником 26 и нагревательным устройством 12 вдоль линии 11 очистки и подачи.

Второй вариант реализации системы, соответствующий настоящему изобретению и показанный на Фиг. 2, практически идентичен первому варианту реализации и предусматривает канал 15 линии 11 очистки и подачи, выполненный с возможностью пересечения с технологическим газом таким образом, чтобы проходить по крайней мере через один теплообменник 21 линии 10 восстановления и очистки для предварительного нагрева технологического газа выше по потоку относительно нагревательного устройства 12, используя тепло отработавшего газа из реактора 1. В данной конфигурации источник свежего восстановительного газа представляет собой источник конвертированного газа или водорода, при этом блок 27 увлажнения технологического газа не требуется.

Третий вариант реализации системы, соответствующий настоящему изобретению и показанный на Фиг. 3, практически идентичен первому и второму вариантам реализации.

В третьем варианте реализации также предусмотрено управляющее устройство 56 для управления по крайней мере одним регулирующим клапаном 32, который регулирует количество смеси восстановительного газа, достигающее линию 10 восстановления и очистки через перепускной канал 30, и для управления по крайней мере одним регулирующим клапаном 33, который регулирует прохождение отработавшего газа, выходящего из реактора 1, по линии 10 восстановления и очистки.

Управляющее устройство 56 может быть запрограммировано таким образом, чтобы работать в соответствии с требуемым расходом нагнетания прямовосстановленного железа, предпочтительно, в соответствии с заранее заданным расходом загрузки прямовосстановленного железа, которое должно поступать в электрическую плавильную печь (например, ЭДП).

Управляющее устройство 56 выполнено с возможностью приема первого сигнала 64, который соответствует расходу нагнетания прямовосстановленного железа, выходящего из реактора 1, в режиме реального времени, а также выполнено с возможностью генерирования второго сигнала 66, отправляемого на регулирующий клапан 32, и третьего сигнала 68, отправляемого на регулирующий клапан 33.

Также предусмотрен по крайней мере один датчик для определения расхода нагнетания прямовосстановленного железа из реактора 1 и отправки первого сигнала на управляющее устройство 56. При обнаружении заранее заданного запроса подачи в электрическую плавильную печь, установленную ниже по потоку относительно реактора 1, управляющее устройство 56 генерирует второй и третий сигналы для достижения или поддержания требуемого расхода нагнетания прямовосстановленного железа из реактора 1.

Если расход нагнетания прямовосстановленного железа должен быть уменьшен, управляющее устройство 56 отправляет на регулирующий клапан 32 сигнал для увеличения части смеси восстановительного газа, которая перенаправляется в линию 10 восстановления и очистки, при этом управляющее устройство отправляет на регулирующий клапан 33 сигнал для уменьшения расхода отработавшего газа, выходящего из реактора 1, в результате чего происходит общее снижение расхода смеси восстановительного газа, поступающей в реактор 1.

Опционально, управляющее устройство 56 может отправлять сигнал на регулирующий клапан 37 (См. Фиг. 1), который регулирует расход свежего восстановительного газа, поступающего в линию 11 очистки и подачи.

Если устройство для конверсии углеводородов (обычно для конверсии метана в природном газе) установлено в качестве установки 12 для конверсии, в которой метан реагирует с CO₂ и H₂O, содержащимися в отработавшем газе из линии 10 восстановления и очистки, предпочтительно, внешний источник 60 для подачи CO₂ и H₂O установлен выше по потоку относительно установки 12 для конверсии.

Дополнительный внешний источник 60 соединен с участком контура между точкой соединения канала 36 с линией 11 очистки и подачи и вышеуказанной установкой 12 для конверсии. Регулирующий клапан 58 расположен вдоль канала 62, который соединяет внешний источник 60 с линией 11 очистки и подачи.

В данном случае управляющее устройство 56 также выполнено с возможностью генерирования четвертого сигнала 70, отправляемого на регулирующий клапан 58.

Таким образом, при необходимости уменьшения расхода нагнетания прямовосстановленного железа управляющее устройство 56 отправляет сигнал на регулирующий клапан 58 для увеличения подачи CO₂ и H₂O и одновременного уменьшения расхода отработавшего газа, выходящего из реактора 1. Таким образом, установка 12 для конверсии может продолжить работать в нормальном режиме без возникновения проблем с образованием карбидов из-за малого количества CO₂ и H₂O по сравнению с количеством метана, нагнетаемого в устройство для конверсии.

В соответствии с третьим вариантом реализации предпочтительно, установка промывки и конденсационная установка могут быть объединены в одну установку 38 (См. Фиг. 3). Кроме того, наличие устройства 25 удаления для удаления диоксида углерода является опциональным.

Предпочтительно наличие внешнего источника 72 (Фиг. 3) газа для науглероживания прямовосстановленного железа, например, метана или других газообразных углеводородов или монооксида углерода. Данный источник 72 может подавать (предпочтительно, напрямую через канал 74) газовый карбюризатор для прямовосстановленного железа в реактор 1 (в точку, расположенную ниже загрузочного отверстия для смеси восстановительного газа в реакторе), чтобы регулировать содержание углерода в прямовосстановленном железе. Внешний источник 72 также может быть использован в других вариантах реализации, описанных выше.

Что касается способа прямого восстановления, который может быть осуществлен с помощью системы, соответствующей настоящему изобретения, он содержит следующие этапы:

a) подают смесь восстановительного газа в область 2 восстановления реактора 1 с помощью линии 11 очистки и подачи;

b) восстанавливают и очищают отработавший газ, выходящий из реактора 1, с помощью линии 10 восстановления и очистки, соединенной ниже по потоку с линией 11 очистки и подачи.

Ниже приведен пример способа прямого восстановления железной руды при максимальной производительности, осуществленного с помощью вышеуказанной системы согласно настоящему изобретению.

Отработавший газ, выходящий из реактора 1 и предпочтительно имеющий температуру из диапазона примерно от +250°C примерно до +450°C, подают в канал 50 линии 10 восстановления и очистки, которая ведет в теплообменник 21 для его охлаждения.

После охлаждения отработавшего газа его подают через канал 51 в установку 38 промывки, а затем направляют в конденсационную установку 22 для удаления воды с целью получения осушенного отработавшего газа. В соответствии с одним из вариантов реализации, установка промывки и конденсационная установка могут быть объединены в одну установку 38 (Фиг. 3).

После охлаждения, промывки и осушения осушенный отработавший газ разделяют между двумя ответвительными каналами 23, 28.

Незначительная часть осушенного отработавшего газа проходит через канал 23, имеющий клапан регулировки давления или регулирующий клапан 34, через который часть газа может быть удалена из контура для устранения нежелательного скопления инертных газов. Большая часть осушенного отработавшего газа проходит через канал 28.

Как показано на сопроводительных чертежах, осушенный отработавший газ, проходящий через канал 28 нагнетают с помощью насосного устройства 24, которое может представлять собой компрессор или нагнетатель, чтобы часть отработавшего газа рециркулировала и возвращалась в реактор 1. Ниже по потоку относительно насосного устройства 24 осушенный отработавший газ проходит через канал 28, опционально установленное устройство 39 охлаждения и устройство 25 удаления диоксида углерода и таким образом смешивается в линии 11 очистки и подачи со свежим восстановительным газом, подаваемым из внешнего источника 26, например, с природным газом или любым другим газом с восстановительными свойствами, например, с конвертированным газом, водородом, синтез-газом, КГ и так далее, в результате чего образуется технологический газ. В соответствии с одним из вариантов реализации (Фиг. 3) удаление диоксида углерода с помощью устройства 25 удаления является необязательным этапом.

Данный технологический газ продолжает течь вдоль канала 15, который предварительно нагревается (опционально), поскольку канал 15 и его участок могут проходить через теплообменник 21 линии 10 восстановления и очистки (Фиг. 2).

В любом случае после предварительного нагрева (необязательно) технологический газ проходит через весь канал 15 до нагревательного устройства или установки 12 для конверсии, в которой его температура достигает примерно +(850-960)°C.

Ниже по потоку относительно нагревательного устройства или установки 12 для конверсии смесь восстановительного газа, также получаемая путем нагнетания кислорода по крайней мере с помощью одного устройства 4 нагнетания, проходит через канал 16 до достижения внутренней части реактора 1.

Оксид железной руды (в форме окатышей или агломератов) подается сверху в область 2 восстановления реактора 1, реагирует с горячим восстановительным газом, протекающим выше по потоку и выгружается в виде горячего прямовосстановленного железа.

Предпочтительно, при необходимости регулировки потока восстановительного газа в реактор для регулировки производительности системы прямого восстановления в соответствии с технологическими требованиями плавильной печи, расположенной ниже по потоку относительно системы, перенаправляют по крайней мере одну часть смеси восстановительного газа от линии 11 очистки и подачи в линию 10 восстановления и очистки с помощью по крайней мере одного перепускного канала 30.

Регулировка части смеси восстановительного газа, которая при прохождении через перепускной канал 30 достигает линии 10 восстановления и очистки, осуществляется с помощью регулирующего клапана 32.

Аналогичным образом с помощью регулирующего клапана 33 можно регулировать прохождение отработавшего газа по линии 10 восстановления и очистки, например, от установки 38 промывки в конденсационную установку 22.

С помощью соответствующего уменьшения количества восстановительного газа, нагнетаемого в реактор 1, также можно отрегулировать соответствующим образом количество железной руды, загружаемой сверху в реактор 1.

Таким образом, благодаря системе, соответствующей настоящему изобретению, можно избежать перенаправления разгрузки реактора в охладитель прямовосстановленного железа для производства холодного прямовосстановленного железа в случае остановки установки для производства стали и ускорить производство до номинального уровня, когда плавильная печь требует максимальной подачи, и даже остановить производство, когда это не требуется, без рабочих ограничений, характерных для пламенного нагревателя или установки для конверсии. Данный подход позволяет значительно упростить конфигурацию системы восстановления, поскольку в монтаже систем охлаждения, транспортировки и хранения для холодного прямовосстановленного железа нет необходимости.

Предпочтительно, охлаждение части смеси восстановительного газа вдоль перепускного канала 30 можно выполнить с помощью охлаждающего устройства 31.

Во время работы при полной производительности после начального этапа температура части смеси восстановительного газа, поступающей в охлаждающее устройство 31, находится, например, в диапазоне от +850 до +960°C, при этом температура части смеси восстановительного газа из охлаждающего устройства 31 находится, например, в диапазоне от +40 до +180°C.

Группа изобретений относится к системе и способу прямого восстановления, в частности для производства железа путем прямого восстановления железной руды с помощью восстановительного газа. Система прямого восстановления для прямого восстановления оксидов железа содержит реактор (1), имеющий область (2) восстановления и выполненный с возможностью загрузки оксидов железной руды сверху, линию (11) очистки и подачи для очистки технологических газов с целью получения смеси восстановительного газа и для подачи смеси восстановительного газа в область (2) восстановления, линию (10) восстановления и очистки для восстановления и очистки отработавшего газа, выходящего из реактора (1), которая соединена выше по потоку с реактором (1), а ниже по потоку с линией (11) очистки и подачи, в которой предусмотрен по крайней мере один перепускной канал (30), выполненный с возможностью перенаправления по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из линии (11) очистки и подачи в линию (10) восстановления и очистки. Изобретение позволяет регулировать расход восстановительного газа, подаваемого в реактор. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система прямого восстановления для прямого восстановления оксидов железа, которая содержит:

- реактор (1), имеющий область (2) восстановления и выполненный с возможностью загрузки оксидов железной руды сверху;

- линию (11) очистки и подачи для очистки отработавшего газа с целью получения смеси восстановительного газа и для подачи смеси восстановительного газа в область (2) восстановления;

- линию (10) восстановления и очистки для восстановления и очистки отработавшего газа, выходящего из реактора (1), которая соединена выше по потоку с реактором (1), а ниже по потоку с линией (11) очистки и подачи;

в которой предусмотрен по крайней мере один перепускной канал (30), выполненный с возможностью перенаправления по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из линии (11) очистки и подачи в линию (10) восстановления и очистки;

в которой предусмотрены:

- по крайней мере один первый регулирующий клапан (32) для регулировки части смеси восстановительного газа, которая с помощью по крайней мере одного перепускного канала (30) достигает линии (10) восстановления и очистки;

- по крайней мере один второй регулирующий клапан (33) для регулировки прохождения отработавшего газа, выходящего из реактора (1) по линии (10) восстановления и очистки;

- по крайней мере одно управляющее устройство (56) для управления по крайней мере одним первым регулирующим клапаном (32) и по крайней мере одним вторым регулирующим клапаном (33);

в которой управляющее устройство (56) выполнено с возможностью приема первого сигнала (64), указывающего на расход нагнетания прямовосстановленного железа из реактора (1), и генерирования второго сигнала (66) для управления по крайней мере одним первым регулирующим клапаном (32) и третьего сигнала (68) для управления по крайней мере одним вторым регулирующим клапаном (33).

2. Система по п. 1, в которой предусмотрено охлаждающее устройство (31), расположенное вдоль перепускного канала (30) для охлаждения по крайней мере одной части смеси восстановительного газа.

3. Система по п. 2, в которой охлаждающее устройство (31) содержит устройство нагнетания охлаждающей воды и газожидкостный сепаратор.

4. Система по любому из пп. 1-3,

в которой линия (11) очистки и подачи содержит по крайней мере одно нагревательное устройство или установку (12) для конверсии;

в которой линия (10) восстановления и очистки содержит по крайней мере одно насосное устройство (24) для перекачки отработавшего газа в линию (11) очистки и подачи;

в которой по крайней мере один перепускной канал (30) соединяет участок линии (11) очистки и подачи, расположенный между по крайней мере одним нагревательным устройством или установкой (12) для конверсии и реактором (1), с участком линии (10) восстановления и очистки, расположенным между реактором (1) и по крайней мере одним насосным устройством (24).

5. Система по любому из пп. 1-4, в которой линия (11) очистки и подачи содержит по крайней мере одно нагревательное устройство или установку (12) для конверсии и по крайней мере одно устройство (4) нагнетания, расположенное ниже по потоку относительно нагревательного устройства или установки (12) для конверсии и выполненное с возможностью нагнетания кислорода в поток технологического газа;

в которой линия (10) восстановления и очистки содержит по крайней мере один теплообменник (21) для охлаждения отработавшего газа, выходящего из реактора (1), по крайней мере одну установку (38) промывки для промывки отработавшего газа, выполненную с возможностью промывки отработавшего газа промывочной водой и отделения отработавшего газа от промывочной воды, по крайней мере одну конденсационную установку (22), расположенную ниже по потоку относительно по крайней мере одной установки (38) промывки, для удаления воды из отработавшего газа, и по крайней мере одно насосное устройство (24) для перекачки отработавшего газа в линию (11) очистки и подачи; в которой предпочтительно установка (38) промывки и конденсационная установка (22) объединены в одну установку;

в которой по крайней мере один перепускной канал (30) соединяет участок линии (11) очистки и подачи, расположенный между по крайней мере между одним нагревательным устройством или установкой (12) для конверсии и реактором (1) ниже или выше по потоку относительно по крайней мере одного устройства (4) нагнетания, с участком линии (10) восстановления и очистки, расположенным между установкой (38) промывки и конденсационной установкой (22).

6. Система по п. 5, в которой по крайней мере один второй регулирующий клапан (33) выполнен с возможностью регулировки прохождения отработавшего газа из установки (38) промывки в конденсационную установку (22) или, когда установка (38) промывки и конденсационная установка (22) объединены в одну установку, выполнен с возможностью регулировки прохождения отработавшего газа от одной установки в насосное устройство (24).

7. Система по любому из пп. 1-6, в которой линия (11) очистки и подачи соединена выше по потоку с линией (10) восстановления и очистки и по крайней мере одним внешним источником (26) свежего восстановительного газа.

8. Система по любому из пп. 1-7, в которой предусмотрено регулировочное устройство для регулировки загрузки оксидов железа, которые нагнетаются сверху в реактор (1).

9. Система по любому из пп. 1-8, в которой линия (11) очистки и подачи содержит по крайней мере одну установку (12) для конверсии метана;

в которой предусмотрены внешний источник (60) для подачи CO₂ и H₂O, расположенный выше по потоку относительно установки (12) для конверсии, и соответствующий регулирующий клапан (58) для регулировки подачи CO₂ и H₂O;

в которой управляющее устройство (56) также выполнено с возможностью генерирования четвертого сигнала (70) для управления регулирующим клапаном (58).

10. Способ прямого восстановления оксидов железа, который может быть осуществлен с помощью системы по любому из пп. 1-9, содержащий следующие этапы:

a) подают смесь восстановительного газа в область (2) восстановления реактора (1) с помощью линии (11) очистки и подачи;

b) восстанавливают и очищают отработавший газ, выходящий из реактора (1), с помощью линии (10) восстановления и очистки, соединенной ниже по потоку с линией (11) очистки и подачи;

в котором предусмотрено перенаправление по крайней мере одной части смеси восстановительного газа от линии (11) очистки и подачи в линию (10) восстановления и очистки с помощью по крайней мере одного перепускного канала (30);

в котором предусмотрены следующие этапы:

- регулируют по крайней мере одну часть смеси восстановительного газа, которая с помощью по крайней мере одного перепускного канала (30) достигает линии (10) восстановления и очистки, с помощью по крайней мере одного первого регулирующего клапана (32);

- регулируют прохождение отработавшего газа, выходящего из реактора (1), по линии (10) восстановления и очистки с помощью по крайней мере одного второго регулирующего клапана (33);

- регулируют по крайней мере один первый регулирующий клапан (32) и по крайней мере один второй регулирующий клапан (33) с помощью по крайней мере одного управляющего устройства (56);

в котором по крайней мере одно управляющее устройство (56) принимает первый сигнал (64), который указывает на расход нагнетания прямовосстановленного железа, выходящего из реактора (1), и генерирует второй сигнал (66) для управления по крайней мере одним первым регулирующим клапаном (32) и третий сигнал (68) для управления по крайней мере одним вторым регулирующим клапаном (33).

11. Способ по п. 10, в котором охлаждение по крайней мере одной части смеси восстановительного газа осуществляют вдоль перепускного канала (30) с помощью охлаждающего устройства (31).

12. Способ по п. 11, в котором во время работы при полной производительности после начального этапа температура по крайней мере одной части смеси восстановительного газа, поступающей в охлаждающее устройство (31), находится в диапазоне от +850 до +960 °C, при этом температура части смеси восстановительного газа из охлаждающего устройства (31) находится в диапазоне от +40 до +180 °C.

13. Способ по любому из пп. 10-12, в котором регулировку количества оксидов железа, загружаемых сверху в реактор (1), выполняют в зависимости от количества смеси восстановительного газа, нагнетаемого в область (2) восстановления.

14. Способ по любому из пп. 10-12, в котором регулировку прохождения отработавшего газа по линии (10) восстановления и очистки осуществляют из установки (38) промывки в конденсационную установку (22) или, когда установка (38) промывки и конденсационная установка (22) объединены в одну установку, из одной установки в насосное устройство (24).

15. Способ по любому из пп. 10-14, в котором предусматривают перенаправление по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из линии (11) очистки и подачи, расположенной между по крайней мере одним нагревательным устройством или установкой (12) для конверсии и реактором (1), в участок линии (10) восстановления и очистки, расположенный между реактором (1) и по крайней мере одним насосным устройством (24);

в котором предусматривают перенаправление по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из участка линии (11) очистки и подачи, расположенного между реактором (1) и нагревательным устройством или установкой (12) для конверсии, ниже или выше по потоку относительно по крайней мере одного устройства (4) нагнетания, расположенного ниже по потоку относительно нагревательного устройства или установки (12) для конверсии и выполненного с возможностью нагнетания кислорода в поток технологического газа,

в участок линии (10) восстановления и очистки, расположенный между по крайней мере одной установкой (38) промывки отработавшего газа, выполненной с возможностью промывки отработавшего газа промывочной водой и отделения отработавшего газа от промывочной воды, и по крайней мере одну конденсационную установку (22), расположенную ниже по потоку относительно установки (38) промывки, для удаления воды из отработавшего газа;

или в котором, когда установка (38) промывки и конденсационная установка (22) объединены в одну установку, предусматривают перенаправление по крайней мере одной части смеси восстановительного газа из участка линии (11) очистки и подачи, расположенного между реактором (1) и нагревательным устройством или установкой (12) для конверсии, ниже или выше по потоку относительно по крайней мере одного устройства (4) нагнетания,

в участок линии (10) восстановления и очистки, расположенный между одной установкой (38) и насосным устройством (24).