ПОЛУЧЕНИЕ НАУГЛЕРОЖЕННОГО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА ПРЯМЫМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДА Российский патент 2023 года по МПК C21B13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Заявка относится к способу получения губчатого железа прямого восстановления из железооксидного материала, причем прямое восстановление производят посредством состоящего по меньшей мере главным образом из Н₂ восстановительного газа.

Уровень техники

Известно получение губчатого железа прямым восстановлением железооксидного материала водородом. Подобные способы описаны, например, в патентных документах WO9924625 и WO2014040989. Выходящий из восстановительной установки после прямого восстановления отработанный восстановительный газ - называемый колошниковым газом - может быть очень простым путем вовлечен в рециркуляцию для целей восстановления, так как в достойной упоминания мере практически требуется только отделение пыли и воды от водорода Н₂ как восстанавливающего компонента. Колошниковый газ по обстоятельствам вследствие прокаливания используемого железооксидного материала может содержать также немного СО₂. При применении азота для герметизации при загрузке железооксидного материала и/или при выгрузке губчатого железа - например, выполняемой либо как шлюзовая система с циклической подачей материала, либо как динамическая шлюзовая система -, колошниковый газ также может содержать некоторое количество азота. Однако применение восстановительного газа с высоким содержанием водорода приводит к тому, что, по сравнению с традиционным прямым восстановлением при значительном использовании монооксида углерода СО или других углеродсодержащих газов, например, таких как метан СН₄, - например, в установке прямого восстановления на основе природного газа - содержание углерода в губчатом железе оказывается очень малым. Это при последующей переработке губчатого железа, например, в электродуговой печи (EAF), может оказываться вредным, так как в случае губчатого железа с низким содержанием углерода повышается расход электрической энергии и износ электродов, а также продолжительность плавки от выпуска до выпуска. Тем самым оказывается значительно сниженной производительность электродуговой печи. Хотя увеличение доли углеродсодержащих газов в восстановительном газе может несколько повышать содержание углерода в губчатом железе, но приводит к обогащению колошникового газа углеродсодержащими компонентами - например, такими как СО, СО₂, СН₄ - и повышенным выбросам СО₂. При рециркуляции колошникового газа это обусловливает необходимость в значительных затратах в отношении оборудования и энергопотребления для отделения СО₂ - и других присутствующих по обстоятельствам нежелательных неводных компонентов, от водорода Н₂.

Сущность изобретения

Техническая задача

Задача настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства, которые обеспечивают возможность простым путем с низкими издержками получать прямым восстановлением железооксидного материала с использованием восстановительного газа с преобладающим содержанием водорода губчатое железо, которое имеет благоприятное для последующей переработки содержание углерода.

Техническое решение

Эта задача решается посредством

способа получения науглероженного губчатого железа прямого восстановления из железооксидного материала,

причем сначала с использованием состоящего по меньшей мере главным образом из водорода Н₂ восстановительного газа проводят прямое восстановление,

отличающегося тем, что

после этого посредством подводимого науглероживающего газа повышают содержание углерода в губчатом железе,

после чего израсходованный при этом науглероживающий газ, по меньшей мере частично, выводят при всемерном предотвращении смешивания с восстановительным газом.

Под железооксидным материалом следует понимать всякий пригодный в качестве исходного материала для получения губчатого железа прямым восстановлением содержащий оксиды железа материал. В зависимости от используемого способа прямого восстановления, речь может идти о кусковом материале, например, таком как рудные окатыши, кусковая руда, оксидные брикеты, или о материале в форме мелких частиц. Кусковой материал пригоден, например, для прямого восстановления в реакторах с неподвижным слоем. Материал в форме мелких частиц пригоден, например, для прямого восстановления в реакторах с псевдоожиженным слоем.

Содержание углерода в науглероженном губчатом железе составляет по меньшей мере 0,5 вес.%, и до 5,0 вес.%, предпочтительно составляет между 1,0 и 3,5 вес.%, причем оно включает при этом оба граничных значения. Углерод может присутствовать связанным, как карбид железа Fe₃С, и/или находится в свободном состоянии как графитовый углерод С. Химически связанный углерод в виде карбида железа Fe₃С является лучшим и более эффективным для технологического процесса в электродуговой печи (дуговой электропечи, EAF).

Железооксидный материал сначала подвергают прямому восстановлению посредством состоящего по меньшей мере главным образом из водорода Н₂ восстановительного газа, например, в восстановительной зоне. Содержание водорода в восстановительном газе может составлять до 100 об.%. Содержание водорода составляет по меньшей мере 80 об.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 90 об.%, причем остальное количество до 100 об.% составляют, например, азот N₂, монооксид углерода СО, диоксид углерода СО₂, водяной пар Н₂О, метан СН₄. После этого повышают содержание углерода в полученном при этом прямым восстановлением губчатом железе, например, в зоне науглероживания. Для повышения в нее подают углеродсодержащий газ, называемый науглероживающим газом. Науглероживающий газ содержит углерод в виде углеродсодержащих молекул. Науглероживающий газ может представлять собой, например, природный газ, метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, монооксид углерода, или смесь из многих этих газов. Углеродсодержащие молекулы реагируют с губчатым железом с образованием карбида железа Fe₃С, или они реагируют с выделением свободного углерода С.

Например, науглероживание метаном протекает следующим образом

3Fe+CH₄→Fe₃C+2H₂

Или же, например, в результате крекинга метана образуется элементарный углерод

CH₄→C+2H₂

В результате последующей реакции восстановления образованным водородом Н₂ железной руды получается водяной пар (Н₂О) согласно нижеследующей реакции, и он реагирует также, например, с присутствующим метаном (СН₄) в условиях реакции риформинга:

FeO+H₂→Fe+H₂O

CH₄+H₂O→CO+3H₂

В дальнейшем из СО также образуются CO₂ и водяной пар

FeO+CO→Fe+CO₂

3Fe+2CO→Fe₃C+CO₂

3Fe+CO+H₂→Fe₃C+H₂O

CO+H₂∑C+H₂O

CO+H₂O ⇔ CO₂+H₂

2CO→C+CO₂

Продукт этой стадии науглероживания с повышенным сравнительно с продуктом первой стадии - прямого восстановления - губчатым железом - содержанием углерода в рамках этой заявки называется науглероженным губчатым железом. При повышении содержания углерода - здесь называемым науглероживанием или насыщением углеродом - происходит частичное преобразование науглероживающего газа. Смешение не содержащих водород Н₂ газообразных продуктов, например, таких как СО₂, СО, приводящих к науглероживанию реакций, соответственно, непрореагировавших порций науглероживающего газа, например, таких как N₂, с состоящим главным образом из водорода Н₂ вводимым в восстановительную устройству восстановительным газом при рециркуляции колошникового газа по обстоятельствам делает необходимыми затраты на отделение.

Чтобы поддерживать эти издержки на низком уровне, соответственно, чтобы предотвращать их, отработанный науглероживающий газ, по меньшей мере частично, отводят с всемерным предотвращением смешения с восстановительным газом. Так называемый отработанный науглероживающий газ, который выводят по меньшей мере частично - предпочтительно полностью, содержит как газообразные продукты приводящих к науглероживанию реакций, так и непрореагировавшие порции науглероживающего газа. Выведение проводят так, что смешение отработанного науглероживающего газа с восстановительным газом предотвращается в значительной мере, предпочтительно полностью.

Значительное предотвращение смешения с восстановительным газом достигается, когда доля углеродсодержащих газов - например, таких как CO, CO₂, CH₄ или высшие углеводороды - в колошниковом газе в целом составляет ниже 20 об.%, предпочтительно менее 10 об.%, особенно предпочтительно менее 5 об.%. Эти значения относятся к измерениям после охлаждения колошникового газа и конденсации водяного пара из колошникового газа. В целом это значит, что доли отдельных углеродсодержащих газов суммируются; например, при 8 об.% СО, 7 об.% СО₂ и 4 об.% СН₄ это в целом давало бы 19 об.%, и тем самым не превышало бы требуемую границу в 20 об.%.

Таким образом, отработанный науглероживающий газ, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, выводят, прежде чем это приведет к смешению с восстановительным газом. Цель при этом состоит в обеспечении лишь очень незначительного или никакого течения газа из зоны науглероживания в восстановительную зону. Например, это может быть достигнуто тем, что из зоны науглероживания выводится такое большое количество отработанного науглероживающего газа, и так много отработанного науглероживающего газа исключается из контура циркуляции науглероживающего газа, что восходящее течение от зоны науглероживания в восстановительную зону не происходит. Отработанный науглероживающий газ при этом практически, например, сбоку, выводится наружу из верхней области зоны науглероживания, прежде чем он достигает находящейся над нею восстановительной зоны.

Соответственно этому, в способе согласно изобретению, например, отказываются от снижения содержания СО₂ в предусмотренном для рециркуляции колошниковом газе, например, вымыванием СО₂ или СО₂/Н₂О-риформингом. Тогда способ также исполняют без снижения содержания СО₂ в предусмотренном для рециркуляции колошниковом газе, если колошниковый газ вследствие обжига используемого железооксидного материала также содержит немного СО₂. Во избежание обогащения этим СО₂ или другими содержащимися по обстоятельствам в колошниковом газе при рециркуляции нежелательными газообразными компонентами, первую порцию колошникового газа исключают из рециркуляции и выводят из контура циркуляции. При необходимости эту первую часть направляют на утилизацию, например, для использования в качестве горючего газа.

Чем меньше происходит смешение отходящего при науглероживании газа с восстановительным газом, тем меньшее количество колошникового газа нужно исключать из рециркуляции - и тем с большей экономией энергии может быть проведено получение прямым восстановлением науглероженного губчатого железа.

Преимущественные результаты изобретения

Соответствующим изобретению исполнением науглероживания после прямого восстановления и последующего за ним выведения отработанного науглероживающего газа можно избежать затрат на отделение нежелательных компонентов из рециркулирующего колошникового газа.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, первую порцию отработанного науглероживающего газа после подготовки - например, такой как обеспыливание - объединяют со свежими компонентами науглероживающего газа и повторно используют в качестве науглероживающего газа для повышения содержания углерода в губчатом железе.

Этим путем науглероживание может быть проведено с большей экономией природных ресурсов и экономичнее, поскольку имеющиеся в отработанном науглероживающем газе непрореагировавшие компоненты вновь создают возможность участия в науглероживании.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, науглероживающий газ или очищенный отработанный науглероживающий газ до или после объединения со свежими компонентами науглероживающего газа нагревают, прежде чем он придет в контакт с губчатым железом. Таким образом, проводят нагревание по меньшей мере одного члена группы, состоящей из обоих членов

- науглероживающего газа

- очищенного отработанного науглероживающего газа до или после объединения со свежими компонентами науглероживающего газа,

прежде чем он придет в контакт с губчатым железом.

Реакции науглероживания протекают лучше при повышенных температурах. Соответственно этому, с повышением температуры возрастает эффективность науглероживания.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, проводят нагревание восстановительного газа, прежде чем он придет в контакт с железооксидным материалом. При этом благоприятным образом вторую порцию отработанного науглероживающего газа, при необходимости после удаления пыли, вводят для использования в качестве горючего газа для нагревания восстановительного газа. Присутствующие в отработанном науглероживающем газе компоненты с теплотворной способностью используются в пределах способа; это сокращает необходимое расходование природных ресурсов и повышает экономичность способа. Использование в пределах способа может включать, например, также парогенератор или электростанцию. Восстановительный газ предпочтительно нагревают путем косвенного теплообмена до температуры свыше 700°С. Предпочтительно проводят одноступенчатое нагревание косвенным теплообменом, то есть, нагревание с сохранением восстановительного потенциала восстановительного газа, соответственно, без окислительного сокращения восстановительного потенциала восстановительного газа.

Но может быть также проведено многоступенчатое нагревание восстановительного газа, при котором одна ступень представляет собой косвенный теплообмен. Например, в первой ступени нагревания косвенным теплообменом может быть проведен нагрев до температуры свыше 700°С, и после этого во второй ступени прямой нагрев посредством другого типа нагревания - например, частичным окислением - для установления еще более высоких результирующих температур.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, вводят дополнительную порцию отработанного науглероживающего газа, при необходимости для использования в качестве горючего газа, для нагревания науглероживающего газа. Имеющиеся в отработанном науглероживающем газе компоненты с теплотворной способностью используются в пределах способа; это сокращает необходимое расходование природных ресурсов и повышает экономичность способа.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, нагревание восстановительного газа и нагревание науглероживающего газа проводят в одном и том же нагревательном устройстве. Это требует меньших затрат на оборудование и упрощает исполнение способа.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, отработанный восстановительный газ выводят в виде колошникового газа, и первую порцию колошникового газа вводят для использования в качестве горючего газа для нагревания восстановительного газа и/или науглероживающего газа. Имеющиеся в колошниковом газе компоненты с теплотворной способностью используются в пределах способа; это сокращает необходимое расходование природных ресурсов и повышает экономичность способа.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, науглероживающий газ содержит компоненты, экзотермически реагирующие с губчатым железом прямого восстановления. Реакции науглероживания протекают лучше при повышенных температурах. Соответственно этому, с повышением температуры возрастает эффективность науглероживания.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, нагревают губчатое железо перед подачей и/или во время введения науглероживающего газа. Реакции науглероживания протекают лучше при повышенных температурах. Соответственно этому, с повышением температуры возрастает эффективность науглероживания.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, к губчатому железу примешивают твердый углерод С перед подачей, и/или во время, и/или после введения науглероживающего газа. Это по обстоятельствам также содействует достижению желательного выдерживания содержания углерода в губчатом железе - например, при последующем использовании в EAF желательно более постоянное содержание углерода.

Например, происходит реакция

3Fe+C → Fe₃C

Твердый углерод может представлять собой, например, антрацит.

Для выдерживания по возможности постоянным содержания С в губчатом железе может быть добавлен элементарный углерод в дозированной форме - например, посредством шнекового дозатора или лопастного питателя. Необязательно, в дополнение к добавлению производят также еще и перемешивание с губчатым железом - например, в смесительной камере или в миксере, чтобы выполнять перемешивание и получать повышенное содержание карбида железа. При этом под миксером следует понимать устройство с подвижными встроенными элементами, тогда как, напротив, смесительная камера не имеет подвижные встроенные элементы.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, величину второй порции отработанного науглероживающего газа регулируют в зависимости от содержания в колошниковом газе диоксида углерода СО₂, и/или монооксида углерода СО, и/или метана СН₄. Регулирование предпочтительно выполняют в зависимости от содержания на выходе из восстановительной зоны.

Смешение отработанного науглероживающего газа с восстановительным газом в рециркуляционном контуре должно максимально, предпочтительно полностью, предотвращаться. Отслеживание компонентов колошникового газа, которое указывает на происходящее смешение - диоксида углерода СО₂, и/или монооксида углерода СО, и/или метана СН₄ - предупреждает о смешении. Увеличение второй порции отработанного науглероживающего газа содействует тому, чтобы при необходимости воспрепятствовать возникающему смешению.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, величину первой порции колошникового газа регулируют в зависимости от содержания в колошниковом газе азота N₂, и/или диоксида углерода СО₂, и/или монооксида углерода СО, и/или метана СН₄. Обогащение рециркуляционного колошникового газа этими компонентами было бы вредным для эффективности прямого восстановления. Поэтому такие компоненты должны быть, по меньшей мере частично, удалены из рециркуляционного контура. Отслеживание компонентов колошникового газа, которое указывает на происходящее смешение отработанного науглероживающего газа и восстановительного газа - диоксида углерода СО₂, и/или монооксида углерода СО, и/или метана СН₄ - предупреждает о смешении. Негативные влияния происходящего по обстоятельствам смешения науглероживающего газа, соответственно, отработанного науглероживающего газа, с восстановительным газом могут быть устранены посредством увеличения первой порции колошникового газа.

Применение удаленного газа в качестве первой порции позволяет использовать его энергосодержание при нагревании. Имеющиеся в колошниковом газе компоненты с теплотворной способностью используются в пределах способа; это сокращает необходимое расходование природных ресурсов и повышает экономичность способа.

Дополнительным предметом настоящего изобретения является установка для получения науглероженного губчатого железа из железооксидного материала, включающая восстановительную зону для прямого восстановления вводимого железооксидного материала с получением образованного прямым восстановлением продукта посредством состоящего главным образом из водорода Н₂ восстановительного газа,

и включающая открывающийся в восстановительную зону трубопровод для восстановительного газа,

отличающаяся тем, что

установка также включает

зону науглероживания образованного прямым восстановлением продукта, с открывающимся в зону науглероживания подводящим трубопроводом для науглероживающего газа и отходящим от зоны науглероживания трубопроводом для отработанного науглероживающего газа для выведения отработанного науглероживающего газа из зоны науглероживания, а также по меньшей мере одно устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или отработанным науглероживающим газом.

Также могут присутствовать многочисленные устройства для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или отработанным науглероживающим газом.

Устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или отработанным науглероживающим газом может быть сформировано, например, имеющим следующее:

- регулирующее устройство, например, такое как регулировочный клапан, в трубопроводе для отработанного науглероживающего газа,

- компрессор, соответственно, нагнетатель, для выведения науглероживающего газа из зоны науглероживания и тем самым для предотвращения его поступления в контур циркуляции восстановительного газа,

- причем восстановительную зону и зону науглероживания разделяют заполненным губчатым железом трубопроводом - например, с газовым шлюзом или без него, с устройством для продвижения материала или без него, таким как система воронки-затвора с управляемыми клапанами, горячий барабанный питатель, или с подачей самотеком.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, трубопровод для отработанного науглероживающего газа открывается в рециркуляционное устройство для обработки - например, такой как подготовка, сжатие, нагревание - и рециркуляции отработанного науглероживающего газа в трубопровод для отработанного науглероживающего газа.

Подобное рециркуляционное устройство для обработки может содержать, например, по меньшей мере устройство для удаления пыли.

Подобное рециркуляционное устройство включает трубопровод для рециркулята, который открывается в подводящий трубопровод для науглероживающего газа, чтобы получать очищенный отработанный науглероживающий газ в качестве порции науглероживающего газа.

Этим путем науглероживание может быть проведено с экономией природных ресурсов и экономичнее, так как имеющиеся в отработанном науглероживающем газе непрореагировавшие компоненты вновь создают возможность участия в науглероживании.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, в подводящем трубопроводе для науглероживающего газа и/или трубопроводе для рециркулята имеется устройство для нагревания газа. Реакции науглероживания протекают лучше при повышенных температурах. Соответственно этому, с повышением температуры возрастает эффективность науглероживания.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, в подводящем трубопроводе для восстановительного газа имеется устройство для нагревания восстановительного газа. Речь предпочтительно идет об устройстве для одноступенчатого нагревания восстановительного газа. Речь предпочтительно идет об устройстве для косвенного теплообмена. Но речь может также идти об устройстве для многоступенчатого нагревания восстановительного газа, в котором одна ступень представляет собой устройстве для косвенного теплообмена.

От трубопровода для отработанного науглероживающего газа и/или рециркуляционного устройства предпочтительно отходит открывающийся в устройство для нагревания восстановительного газа трубопровод для горючего газа. От трубопровода для отработанного науглероживающего газа и/или рециркуляционного устройства предпочтительно отходит открывающийся в устройство для нагревания газа трубопровод для горючего газа. Речь предпочтительно идет об устройстве для одноступенчатого нагревания газа. Речь предпочтительно идет об устройстве для косвенного теплообмена. Тогда присутствующие в отработанном науглероживающем газе компоненты с теплотворной способностью могут быть использованы в пределах способа; это сокращает необходимое расходование природных ресурсов и повышает экономичность способа. Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, как устройство для нагревания восстановительного газа, так и устройство для нагревания газа объединены в одно нагревательное устройство, и трубопровод для горючего газа, и/или подводящий трубопровод для горючего газа, и/или открываются в нагревательное устройство. Это требует меньших затрат на оборудование.

Установка для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала включает трубопровод для колошникового газа для выведения отработанного восстановительного газа из восстановительной зоны. Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, трубопровод для колошникового газа открывается в рециркуляционное устройство для обработки и рециркуляции колошникового газа в подводящий трубопровод для восстановительного газа.

Подобное рециркуляционное устройство может содержать для обработки, например, по меньшей мере одно устройство для удаления пыли - предпочтительно устройство для сухого обеспыливания, так как в этом случае, по сравнению с также возможным устройством для мокрого обеспыливания, можно отказаться от дорогостоящей очистки технологических сточных вод от мокрого обеспыливания.

Подобное рециркуляционное устройство включает трубопровод для рециркулята, который открывается в трубопровод для восстановительного газа, чтобы получать обработанный колошниковый газ как порцию восстановительного газа.

Этим путем прямое восстановление может быть проведено с экономией природных ресурсов и экономичнее, поскольку имеющиеся в колошниковом газе непрореагировавшие компоненты с теплотворной способностью вновь создают возможность участия в прямом восстановлении.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, установка для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала также включает отходящий от трубопровода для колошникового газа и/или рециркуляционного устройства трубопровод для горючего материала, который открывается в устройство для нагревания восстановительного газа, и/или в устройство для нагревания газа, и/или в нагревательное устройство. Тогда имеющиеся в колошниковом газе компоненты с теплотворной способностью могут быть использованы в пределах способа; это сокращает необходимое расходование природных ресурсов и повышает экономичность способа.

Когда в рециркуляционном устройстве имеется устройство для удаления пыли, то предпочтительно, чтобы трубопровод для горючего материала отходил от восстановительной зоны к устройству для удаления пыли, если смотреть по направлению течения колошникового газа. Этим сберегаются находящиеся ниже по потоку компоненты установки, например, такие как компрессоры.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, между восстановительной зоной и зоной науглероживания имеется нагревательное устройство для нагревания образованного прямым восстановлением продукта перед поступлением в зону науглероживания. Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, нагревательное устройство для нагревания образованного прямым восстановлением продукта находится в зоне науглероживания.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, между восстановительной зоной и зоной науглероживания имеется устройство для добавления углерода. Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, устройство для добавления углерода находится в зоне науглероживания.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, устройство для добавления углерода находится позади зоны науглероживания, если смотреть от восстановительной зоны по направлению течения образованного прямым восстановлением продукта.

Устройство для добавления углерода предназначено для добавления твердого углерода. Оно может включать дозировочные устройства, например, такие как шнековый дозатор или лопастной питатель. Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, оно включает также смесительные устройства, например, такие как смесительная камера или миксер, чтобы выполнять перемешивание и обеспечивать возможность получения повышенного содержания карбида железа.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, соответствующая изобретению установка включает также регулировочное устройство для регулирования течения газа в трубопроводе для горючего газа и/или в трубопроводе для подведения горючего газа в зависимости от полученных измерением колошникового газа данных. Так, регулировочное устройство может представлять собой устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или отработанным науглероживающим газом.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, соответствующая изобретению установка включает также регулировочное устройство для регулирования течения газа в трубопроводе для горючего газа в зависимости от полученных измерением колошникового газа данных.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, соответствующая изобретению установка не включает устройство для сокращения СО₂ в предусмотренном для рециркуляции колошниковом газе.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, соответствующая изобретению установка включает выпускной трубопровод для выведения колошникового газа из рециркуляции.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, восстановительная зона и зона науглероживания размещены внутри одной установки. Например, установка может представлять собой шахту, в верхней части которой находится восстановительная зона, и ее нижней части находится зона науглероживания. Железооксидный материал подается в шахту сверху и проходит через нее под действием силы тяжести вниз. При этом он подвергается прямому восстановлению. После прохода через восстановительную зону продукт прямого восстановления поступает в зону науглероживания. После прохода через зону науглероживания он выходит из шахты.

Согласно одному предпочтительному варианту исполнения, восстановительная зона и зона науглероживания размещены в различных установках. Например, продукт прямого восстановления может быть выведен из содержащей восстановительную зону установки для прямого восстановления, и после этого может быть введен в отдельную, содержащую зону науглероживания установку для науглероживания. Продукт прямого восстановления представляет собой губчатое железо. Установка для прямого восстановления и установка для науглероживания соединены подводящим трубопроводом для подачи губчатого железа в установку для науглероживания.

По меньшей мере одно устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или с отработанным науглероживающим газом может находиться, например, в подводящем трубопроводе. Оно также может быть размещено на обращенном к подводящему трубопроводу конце установки для прямого восстановления. Оно также может быть размещено на обращенном к подводящему трубопроводу конце установки для науглероживания. Оно также может быть размещено на обращенном к установке для прямого восстановления конце подводящего трубопровода, или на обращенном к установке для науглероживания конце подводящего трубопровода.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение в порядке примера описано со ссылкой на многие схематические фигуры.

Фигура 1 схематически показывает вариант соответствующей изобретению установки для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала.

Фигура 2 схематически показывает другой вариант соответствующей изобретению установки для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала.

Фигуры 3-8 показывают различные варианты соответственно показанным в Фигурах 1 и 2.

Фигура 9 схематически показывает традиционный способ получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала, причем прямое восстановление проводится посредством состоящего из Н₂ восстановительного газа.

Описание вариантов осуществления изобретения

Примеры

Фигура 1 схематически показывает вариант соответствующей изобретению установки 1 для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала 2. Она включает восстановительную зону 3 для прямого восстановления вводимого железооксидного материала 2 до продукта прямого восстановления посредством состоящего главным образом из Н₂ восстановительного газа. Она также включает открывающийся в восстановительную зону 3 подводящий трубопровод 4 для восстановительного газа. Она также включает зону 5 науглероживания для науглероживания образованного прямым восстановлением продукта. В зону 5 науглероживания открывается подводящий трубопровод 6 для науглероживающего газа. От зоны 5 науглероживания отходит трубопровод 7 для отработанного науглероживающего газа, предназначенный для выведения отработанного науглероживающего газа из зоны 5 науглероживания. Установка также включает по меньшей мере одно устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или отработанным науглероживающим газом, здесь нагнетатель 8 в трубопроводе 7 для отработанного науглероживающего газа. Посредством нагнетателя 8 отработанный науглероживающий газ, по меньшей мере частично, выводится из зоны науглероживания, и тем самым предотвращается смешение с восстановительным газом. Для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала 2 сначала посредством состоящего главным образом из Н₂ восстановительного газа проводят прямое восстановление, в то время как он проходит сверху вниз через восстановительную зону 3 под действием силы тяжести. После этого губчатое железо как продукт прямого восстановления под действием силы тяжести поступает в зону 5 науглероживания, где посредством подводимого науглероживающего газа в губчатом железе как продукте прямого восстановления повышается содержание углерода, в то время как оно проходит сверху вниз через зону 5 науглероживания под действием силы тяжести. Израсходованный при этом науглероживающий газ при значительном предотвращении смешения с восстановительным газом, по меньшей мере частично, вытягивается нагнетателем 8 из зоны 5 науглероживания через трубопровод для отработанного науглероживающего газа, и выводится наружу. Выведение науглероженного губчатого железа из зоны науглероживания обозначено блок-стрелкой.

Фигура 2 схематически показывает другой вариант соответствующей изобретению установки 1 для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала 2. В отличие от Фигуры 1, зона 5 науглероживания и восстановительная зона 3 размещены в различных установках. Губчатое железо как продукт прямого восстановления выводится из содержащей восстановительную зону установки для прямого восстановления - в представленном случае реактора 9 с неподвижным слоем, и после этого через подводящий трубопровод 10 вводится в отдельную, содержащую зону науглероживания установку 11 для науглероживания. В подводящем трубопроводе 10 также может быть размещено дополнительное подающее устройство, например, такое как шлюзовый затвор барабанного типа, или устройство для динамической задержки газов. Аналогичные Фигуре 1 детали установки обозначены теми же кодовыми номерами позиций. Устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или отработанным науглероживающим газом - в представленном случае, например, показанное в виде нагнетателя 8 - вместо изображенного размещения в трубопроводе для отработанного науглероживающего газа - или в дополнение к этому - могло бы присутствовать также в подводящем трубопроводе, или на обращенном к подводящему трубопроводу конце установки для прямого восстановления, или на обращенном к подводящему трубопроводу конце установки для науглероживания, или на обращенном к установке для прямого восстановления конце подводящего трубопровода, или на обращенном к установке для науглероживания конце подводящего трубопровода. Для лучшей наглядности эти варианты не представлены. Выведение науглероженного губчатого железа из зоны науглероживания обозначено блок-стрелкой.

Фигура 3 показывает в качестве примера в по существу аналогичном изображению в Фигуре 2 виде, как трубопровод 7 для отработанного науглероживающего газа из Фигуры 2 присоединяется к рециркуляционному устройству 12 для обработки - например, такой как подготовка, сжатие, нагревание - и рециркуляции отработанного науглероживающего газа в трубопровод 6 для науглероживающего газа. Первую порцию отработанного науглероживающего газа после обработки - например, такой как удаление пыли - через трубопровод 13 для рециркулята объединяют со свежими компонентами науглероживающего газа и опять в виде науглероживающего газа используют для повышения содержания углерода в губчатом железе. Пополнение свежими компонентами науглероживающего газа обозначено стрелкой 14. Выведение науглероженного губчатого железа из зоны науглероживания обозначено блок-стрелкой.

В Фигуре 3 также обозначено, что устройство 15 для нагревания газа находится в подводящем трубопроводе 6 для науглероживающего газа. Вместо этого или в дополнение оно могло бы находиться также в трубопроводе 13 для рециркулята. Науглероживающий газ нагревают, прежде чем он придет в контакт с губчатым железом.

Фигура 4 показывает в качестве примера в по существу аналогичном изображению в Фигуре 1 виде, как в подводящем трубопроводе для восстановительного газа находится устройство для нагревания восстановительного газа, в представленном случае устройство 16 для косвенного теплообмена для одноступенчатого нагревания восстановительного газа, прежде чем он придет в контакт с железооксидным материалом 2. Вторую порцию отработанного науглероживающего газа после обработки вводят в качестве горючего газа для использования при нагревании восстановительного газа. Для этого от рециркуляционного устройства 12 отходит открывающийся в устройство 16 для нагревания восстановительного газа трубопровод 17 для горючего газа.

Фигура 5 показывает в качестве модификации изображения в Фигуре 4, как от рециркуляционного устройства 12 отходит открывающийся в устройство 15 для нагревания газа трубопровод 18 для горючего газа. Дополнительную порцию отработанного науглероживающего газа при этом вводят для использования в качестве горючего газа для нагревания науглероживающего газа.

Фигура 6 показывает по существу аналогичное Фигуре 1 изображение, как трубопровод 19 для колошникового газа отходит от восстановительной зоны для выведения отработанного восстановительного газа. Трубопровод 20 для горючего материала ответвляется от него и может быть - для лучшей наглядности специально не показано, присоединен открывающимся в устройство 15 для нагревания газа или в устройство для нагревания восстановительного газа, как, например, показано в Фигурах 3 и 4, чтобы вводить первую порцию колошникового газа для использования в качестве горючего газа для нагревания восстановительного газа и/или науглероживающего газа.

Фигура 7, по образцу Фигуры 2, схематически показывает, как посредством находящейся в подводящем трубопроводе 10 нагревательной установки 21 можно нагревать губчатое железо перед поступлением в зону науглероживания.

Фигура 8, по образцу Фигуры 2, схематически показывает, как с помощью устройства 22 для подачи углерода может подводиться углерод в зону 5 науглероживания.

Фигура 9 схематически показывает традиционный способ получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением железооксидного материала, причем прямое восстановление проводят посредством состоящего из Н₂ восстановительного газа. Восстановительный газ Н₂ вводят через подводящий трубопровод 23 для восстановительного газа. После восстановления отработанный восстановительный газ выводят как колошниковый газ через трубопровод 26 для колошникового газа сверху из восстановительного реактора 24. Колошниковый газ после отделения водного конденсата и очистки в скруббере 27 по большей части вовлекают в рециркуляцию, тогда как порцию вводят в качестве горючего материала в печь 28 для восстановительного газа. К рециркулирующему колошниковому газу примешивают свежий водород 29. После предварительного нагревания отходящим газом из печи 28 для восстановительного газа проводят нагревание в печи 28 для восстановительного газа, и после этого вводят в восстановительную установку. Удаление СО₂ в рециркуляционном контуре не требуется.

Хотя изобретение было подробно иллюстрировано и описано на предпочтительных примерах осуществления, изобретение все же не ограничивается раскрытыми примерами, и специалистом могут быть выведены из него другие варианты, без выхода за пределы области правовой охраны изобретения.

Список ссылочных позиций

1 Установка для получения науглероженного губчатого железа прямым восстановлением из железооксидного материала 2 Железооксидный материал 3 Восстановительная зона 4 Подводящий трубопровод для восстановительного газа 5 Зона науглероживания 6 Подводящий трубопровод для науглероживающего газа 7 Трубопровод для отработанного науглероживающего газа 8 Нагнетатель 9 Реактор с неподвижным слоем 10 Подводящий трубопровод 11 Установка для науглероживания 12 Рециркуляционное устройство 13 Трубопровод для рециркулята 14 Пополнение 15 Устройство для нагревания газа 16 Устройство для косвенного теплообмена 17 Трубопровод для горючего газа 18 Подводящий трубопровод для горючего газа 19 Трубопровод для колошникового газа 20 Трубопровод для горючего материала 21 Нагревательная установка 22 Устройство для подачи углерода 23 Подводящий трубопровод для восстановительного газа 24 Восстановительный реактор 25 Губчатое железо 26 Трубопровод для колошникового газа 27 Скруббер 28 Печь для восстановительного газа.

Список цитированных источников

Патентная литература

WO9924625.

WO2014040989.

Группа изобретений относится к способу и установке для получения науглероженного губчатого железа прямого восстановления из железооксидного материала (2). Проводят прямое восстановление с использованием восстановительного газа с содержанием водорода по меньшей мере 80 об.%, после этого посредством подводимого науглероживающего газа повышают содержание углерода в губчатом железе, после чего израсходованный при этом науглероживающий газ, по меньшей мере частично, выводят при всемерном предотвращении смешивания с восстановительным газом. Причем проводят нагревание по меньшей мере одного члена группы, состоящей из обоих членов науглероживающего газа и подготовленного отработанного науглероживающего газа до или после объединения со свежими компонентами науглероживающего газа, прежде чем он придет в контакт с губчатым железом, и/или подводят науглероживающий газ, содержащий компоненты, экзотермически реагирующие с губчатым железом прямого восстановления, и/или нагревают губчатое железо перед введением и/или во время подачи науглероживающего газа. Обеспечивается эффективное науглероживание при экономии природных ресурсов и исключении затрат на отделение нежелательных компонентов из рециркулирующего колошникового газа. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ получения науглероженного губчатого железа прямого восстановления из железооксидного материала (2),

причем сначала с использованием восстановительного газа с содержанием водорода по меньшей мере 80 об.% проводят прямое восстановление губчатого железа из железоокисного материала,

отличающийся тем, что

после этого посредством подводимого науглероживающего газа повышают содержание углерода в губчатом железе,

после чего отработанный при этом науглероживающий газ, по меньшей мере частично, отводят при всемерном предотвращении смешивания с восстановительным газом, причем

проводят нагревание по меньшей мере одного члена группы, состоящей из обоих членов:

- науглероживающего газа,

- подготовленного отработанного науглероживающего газа до или после объединения со свежими компонентами науглероживающего газа,

прежде чем он придет в контакт с губчатым железом,

и/или

подводят науглероживающий газ, содержащий компоненты, экзотермически реагирующие с губчатым железом прямого восстановления,

и/или

нагревают губчатое железо перед введением и/или во время подачи науглероживающего газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую порцию отработанного науглероживающего газа после подготовки объединяют со свежими компонентами науглероживающего газа и повторно используют в качестве науглероживающего газа для повышения содержания углерода в губчатом железе.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что к губчатому железу примешивают твердый углерод С перед подачей, и/или во время, и/или после введения науглероживающего газа.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что отработанный восстановительный газ отводят как колошниковый газ, и нагревают восстановительный газ, прежде чем он придет в контакт с железооксидным материалом, причем вторую порцию отработанного науглероживающего газа вводят для использования в качестве горючего газа для нагревания восстановительного газа,

причем предпочтительно величину второй порции отработанного науглероживающего газа регулируют в зависимости от содержания в колошниковом газе диоксида углерода СО₂, и/или монооксида углерода СО, и/или метана СН₄.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что отработанный восстановительный газ отводят как колошниковый газ, и нагревают восстановительный газ, прежде чем он придет в контакт с железооксидным материалом, причем первую порцию колошникового газа вводят для использования в качестве горючего газа для нагревания восстановительного газа и/или науглероживающего газа;

причем предпочтительно величину первой порции колошникового газа регулируют в зависимости от содержания в колошниковом газе азота N₂, и/или диоксида углерода СО₂, и/или монооксида углерода СО, и/или метана СН₄.

6. Установка (1) для получения науглероженного губчатого железа прямого восстановления из железооксидного материала (2),

содержащая восстановительную зону (3) для прямого восстановления вводимого железооксидного материала (2) до губчатого железа прямого восстановления посредством восстановительного газа с содержанием водорода по меньшей мере 80 об.%,

и содержащая открывающийся в восстановительную зону (3) подводящий трубопровод (4) для восстановительного газа, отличающаяся тем, что

установка (1) также включает

зону (5) науглероживания для науглероживания образованного прямым восстановлением губчатого железа прямого восстановления, с открывающимся в зону (5) науглероживания трубопроводом (6) для науглероживающего газа и отходящим от зоны (5) науглероживания трубопроводом (7) для отработанного науглероживающего газа для выведения отработанного науглероживающего газа из зоны (5) науглероживания,

а также по меньшей мере одно устройство для предотвращения смешения восстановительного газа с науглероживающим газом и/или с отработанным науглероживающим газом, причем

в подводящем трубопроводе (6) для науглероживающего газа расположено устройство (15) для нагревания газа,

и/или

между восстановительной зоной (3) и зоной (5) науглероживания расположена нагревательная установка для нагревания губчатого железа прямого восстановления перед поступлением в зону (5) науглероживания, и/или нагревательная установка (21) для нагревания губчатого железа прямого восстановления находится в зоне (5) науглероживания.

7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что трубопровод (7) для отработанного науглероживающего газа открывается в рециркуляционное устройство (12) для подготовки и рециркуляции отработанного науглероживающего газа в подводящий трубопровод (6) для науглероживающего газа.

8. Установка по п. 6 или 7, отличающаяся тем, что между восстановительной зоной (3) и зоной (5) науглероживания расположено устройство (22) для добавления углерода,

и/или устройство (22) для добавления углерода находится в зоне (5) науглероживания,

и/или устройство (22) для добавления углерода находится позади зоны (5) науглероживания, если смотреть от восстановительной зоны (3) по направлению течения образованного прямым восстановлением губчатого железа прямого восстановления.

9. Установка по любому из пп. 6-8, отличающаяся тем, что восстановительная зона (3) и зона (5) науглероживания размещены внутри одного блока.

10. Установка по любому из пп. 6-8, отличающаяся тем, что восстановительная зона (3) и зона (5) науглероживания размещены в различных блоках.