(54) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ-МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РУДЫ
1
Изобретение касается газового восстановления состоящих из частиц металлических руд до губчатого железа в вер тикальном реакторе с движущимся .слоем, относится к способу получения путем $ прямого газового восстановления с желательной степенью науглероживания и может быть использовано для обработки руд, помимо железной.
Известно получение губчатого желеоа ю в вертикальном шахтном реаторе с подвижным слоем, обычно состоящее из двух основных операций: восстановление руды в восстановительной зоне с помощью восстановительного газа, состоящего в основ-15 ном из угарного газа и водорода с температурой порядка 70О-1ООО°С, предпочтительно 75О-95ОС; охлаждение полученного губчатого железа газовой охлаждающей средой до температуры порядка 20 10О-20О С, предпочтительно ниже ЮСР (-:.
Углерод откладывается на металлнесущих частицах и в реакционной и в охлаждающей зонах, и при надлежащих условиях
отложившийся угле|х)д может вводиться в реакцию с образованием карбида железа..
Использование для загрузки электродуговой сталеплавильной печи губчатого . железа, содержащего карбид железа, обеспечивает ряд преимуществ во-41ервых, такое губчатое железо имеет пониженную точку плавления, что облегчает плавление его в процессе изготовления стали. Во-вторьк, углерод в виде карбида железа значительно более активен, чем масса добавляв- мого углерода, так как является значительно более эффективным восстановительным агентом для остато-шого кислорода губчатого железа, находящегося в электропечи.Кроме того, на реакцию карбида железа с остаточной содержащейся в губчатом железе двухвалентной окисью железа требуется меньше тепла, чем на реакцию элементарного углерода с двухвалентной окисью железа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому, результату к предлатаемому является способ восстановлентш дисперсной металлической руды, включающий восстановление дисперсной руды до губчатого железа в шахтной печи, включающий противоток горягчего восстановительного газа из окиси углерода и водорода с рудой в верхней части шахтной печи, охлаждение губчатого железа в 1гажней части печи, рециркулирование колошникового газа, его охлаждение и обезвоживание 2 .
Губчатое железо, полученное по этому способу, обычно используется в качестве ИСТОЧНИ1Ш железа для производства стали в электрической дуговой печи. Такое губчатое железо обычно содержит некоторую дате окиси железа, например 10-2Овесо посколысу экономически нецелесообразно добиваться 1ОО%-«ой металлизации руды в реакторе газовогх5 восстановления. По мере приближения металлизации железосодери ащего материала к 10О% процесс становится трудным, отнимающим много времени и расходующим избьггочные коли чества восстановительного газа для удаления остаточного кислорода из материала. Восстановление остаточной двухвален ной окиси железа карбидом железа приводит к образованию угарного газа, пузырьки которого проходят через расплав, обеспечивая желательное размещение ванны. Газ обеспечивает образование лег кого ленистого щлака, обволакивающего электроды и уменьшающий радиационные о потерн тепла к кровле и стенкам печи. Пенистый шлак создает дополнительное преимущество, когда используется непрерьшная загрузка печи губчатым железом. Предварительно нагретые во время падения через шлак гранулы губчатого железа входят в реакцию еще до того, как они достигнут расплавленной ванны. Все это может быть достигнуто без повышения термической нагрузки электро печи. При эксплуатации установка газового восстановления для производства губчато го железа с меньшей, чем максимально возможная, степенью металлизации и науглероживанием его до уровня, обеспечивающего завершение восстановления в электрической печи и эффективное исполь зование высокотемпературной восстановительной способности печи, обещает экономические преимушества, Основным недостатэсом способа являет ся невозможность регулировать, степень карбюризации, так как избыточное наугле роживйние нарушает стабилизацию элек-
трической пути С1алеплавиль;1ой печи, тем самым повь-лая интенсивность издоен- огнеупорной футеровки печи, ЬЗозникает необходимость удлинения периода рафинирования, чтобы обеспечить удаление избыточного углерода. Во многих случаях желательный уровень содержания углерода в губчатом железе составляет 1-3 весс%.
Содержание углерода в губчатом железе должно поддерживаться в узких границах.
Науглероживание в восстановительной зоне не легко отрегулировать с требующе йя степенью точности, так как домш)и-is рующим требованием; к восстанови-тельной .зоне является такое регулирование условг.; работы, которое способно обеспечить желательный оптимальный уровень восстановления. Оптимальные условия восстановления обычно не совпадают с оптимальными условиями науглероживания. В некоторой степени та же проблема возникает и в охлаждающей зоне в том случае, если в ней происходит одновременно и охлаждение и науглероживание. При попытке обеспечения точного регулирования науглероживания в системе восстановления возникает проблема4, обусловленная тем, что возникающая в зоне восстановления степень науглероживания может быть настолько 5;ольшой, что губчатое железо, поступающее в оклаждения, уже может содержать больше углерода, чем требуется. Известно, что реакции науглероживаниЕ благоприятно протекают при 5ОО-700 С, в сил чего процесс науглероживания стремится произойти в центре восстановительной золы. Интенсивность науглероживания в восстановительной зоне взначительной степени зависит не только от температуры, но также от концентрации угарного газа в восстановительном газе. Хотя угарный газ в зоне восстановления потребляется, тем не менее восстановительная зона часто является четко выраженньШ генератором угарного газа. Это обусловлено конверсией двуокиси углерода в нижней части зоны восстановления в моноокись углерода. Такая реакция место предпочтительно в нижней части восствнови- гельной зоны по двум причинам: вследствиеотносительно высокой температуры в этой точке и вследствие также катсшитического воздействия, оказыЕ аемого г-уб-чатым железом на реакцию. Эта реакция форсирует отложение углерода и в pe.-sy.Tij.
тате уменьшения концентрации двуокиси углерода в газе и в результате повышения содержания в нем моноокиси углерода.
Цель изобретения - регулирование необходимой степени карбидизацци.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу восстановления металлической руды до губчатого железа в шахтной печи, вкгаочаклцему противоток горячего восстановительного газа из окиси углерода и водорода с дисперсной рудой в верхней части шахтной печи, охлаждение губчатого железа в нижней части печи, рециркуляцию колошникового газа, его охлаждение и обезвоживание, к горяче)у1у восстановительному газу после ввода в реактор добавляют пар в количестве 1-20 об.%,
Часть пара в количестве 1-15% добавляют в верхн1 1Ю часть зоны восстановления реактора со свежим восстановительным газом.
В качестве металлической руды используют железную руду.
При осуществлении предлагаемого способа в результате уменьшения содержания моноокиси углерода в наход5Ш1емся в восстановительной зоне газа происхоит косвенное уменьшение образования элементарного углерода и карбида железа в восстановительной зоне реактора. Соержание водяных паров в газе регулируется с таким расчетом, чтобы сместить ход реакции, т.е, форсировать хорошо jj и
известную реакцию сдвига равновесно : . COvHj - COj Hi O
Правильное регулирование содержания водяных паров в восстановительном газе может существенно уменьшить образование углерода в восстановительной зоне, поскольку присутствующая в потоке газа моноокись углерода вступает в реакцию, обеспечивая образование углекислоты, а не по реакции, приводящей к получению элементарного углерода. Содержание углерода в губчатом железе можно таким образом уменьщить ниже-того минимума, который требуется в продукте - губчатом железе. Это создает возможность эффективного регулирования и контролирования содержания углерода в губчатом железе в зоне охлаждения без необходимости существенного вмешательства в условия оптимизации процесса восстановления в зоне восстановления.
Внешняя часть восстановительного контура обычно содержит, кроме охладителя газа, циркуляционный насос и нагреватель для повторного подогрева восстановительного газа, через ксюрыП последовательно проходит вытекающий из реактора газ. Водяные пары могут вводиться
в циркулирующий газ, например, непосредственно перед впуском газа в реактор. Его можно также вводить непосредственно в реактор близ верха восстановительной зоны, Вод$шые пары или пар могут вводиться в обогащаемый поток восстановительного газа, направляемого в контур восстановительного газа. Отдельные порции водяного пара могут вводиться в две или более шочки системь ; Вместе с тем,
в случае относительно вьюокого содержай ния водяногч) пара в вытекающем восстановительном газе его содержание можно понизить путем регулирования подводимогчэ к охладителю газа потока охлаждаюшей воды.
Добавление пара в восстановительный газ неизбежно приводит к разбавлению восстановительных компонентов газа. При добавлении в зону восстановления пара
отнощение Ий-(«.) существенно
снижается и, соответственно, падает восстановительный потенциал газа -в части восстановительной зоны, т.е, в три точке системы, где происходит последняя
и самая ответственная часть восстановления и где важно располагать высококачественньхм газом.
Введение пара близ верха зоны восстановления, там, где происходит начальное
новление руды, создает, однако, в результате разбавления восстановительного газа паром лтнь относительно небольшое воздействие на суммарный эффект восстановления. Требуемая реакция смещения водяного газа (вьш1еприведе1шое уравнение), возникающего в результате добавки пара в восстановительный газ, носит экзотермический характер и, следовательно, способствует нагреву поступающей свежей руды. Кроме того, находящаяся вверху слоя окись железа является хорошим катализатором реакции смещения водяного газа и форсирует протекание этой реакции.
Добавление пара в газ, вводимый в восстановительную зону, связано с некоторыми недостатками, однако, в некоторых случаях оно является выгодным, в частности, когда направляемый в восстановительную зону газ содержит значительное количество метана, например в том случае, когда направляемый на пополнение восстановительного газа газ представляет собой газ риформшЕга, обогащешпый метаотносительно легковозникающее восста}ioM Jura природным газом или когда для пополнения используется газ коксовых батарей. В этом случае пар вступает в реакцию с метаном и образуются дополнительные, количества восстановительных компонентов: моноокиси углерода и водорода.
В некоторых случаях оказалось целесообразным прибегнуть к компромиссной процедуре, т.е. добавлять небольшую до- Ю но
лю пара в поступающий в реактор вос.становительный газ и больщую часть пара в верхнюю часть гудного тела, находящегося в зоне восстановления реактора.
На фиг. 1 изображен схематически вертикальньгй шахтный реактор с подвижным слоем; на фиг. 2 - аналогичная система, пре.аназначенная для осуществления модификации метода по изобретению Вертикальный шахтный реактор 1 с находящейся в его верхней части зоной восстановле1гия имеет также в нижней части зону 2 охлаждения. Реактор 1 име ет надлежащую теплоизоляцию и изнутри футерован огнеупорным материалом. Подлежащая переработке состоящая из частиц руда загружается в реактор 1 по загрузочному трубопроводу 3. Загружаемая руда может быть кусковой или состо ять из предварительно образованных гранул. Руда опускается через восстановительную зону, где восстанавливается до губчатого железа продуваемым вверх восстановительным газом, затем проходит через охлаждающую зону 2, в которой ох; аждается текущим вверх охлаждающим тггазом, и покидает реактор через выпусююе отверстие 4. Средняя часть реактора имеет выступ 5, верхний конец которого образует совместно с кольцевой рубашкой 6 кольцевую камеру 7, в которую по трубе 8 поступает восстановител ный газ. Это приспособление служит для распределения восстановительного газа по периферии реактора. Восстановительный газ течет вверх через восстановительную зону 9 и покидает реактор по трубопроводу 10. Нижняя скошенная часть выступа 5 входит в распределительную камеру 11, образуя впускную камеру 12 для охлаждающего газа, в которую по трубопроводу 13 поступает охлаждающий газ. КаTviepa обеспечивает распределение охлаждающего газа по периферии реактора. Охлаждающий газ течет вверх через зону охлаждения в кольцевую выпускную камеру 14 для охлаждаюшето газа, оконтурештую BHCTyitoM 5 и имеющей форму усече1шого конуса перегородкой 15, Камера. 14 предназначена для накопления охлаждающего газа BEsepxy охлаждающей зоны и направления газа в выпускную трубу 16 для охлаждающего газа.
Предназначенный для восстановления руды газ подается из надлежащего источника 17 восстановительного газа. Обычкаталитического риформинга, обеспечивающая риформинг смеси природного газа и /тара с целью получения монсюкиси углерода и водорода. В другом варианте 15 используется газ коксовых батарей, применяемый в ТОМ; виде, в каком он выходит из печей или после риформинга. Восстановительный газ может бьгхъ также получен из газообразных углеводоротаким источником является система дов, не являющихся природным газом, или из жидких углеводородов или угля, Восстановительный газ из источника 17 протекает по трубопроводу 18в контур восстановительного газа, т.е. к регулятору 19 потока, размещенному в трубопроводе 20 к обеспечивающему предопределенный расход потока восстав новительного газа, поступающего в реактор 1. Восстановительный газ поступает по трубопроводу 2.0 в нагреватель 21, где нагревается до 750-850 С и далее по трубе 8 в реактор. Выходящий из реактора газ течет по трубопроводу 10 в нагружной дхладитель 22 с целью конденсации части содержащейся в газе воды, и удаления пыли. Bbiходящий из охладителя 22 газ следует по одной из двух трасс, В одном случае он течет по трубе 23, в которую врезан контрольный клалан 24, и через регулятор 25 обратного давления, а потом выдувается в атмосферу или отводится в надлежащее место хранения или используется в качестве топлива. По другой трассе газ из охладителя 22 может рециркулироватъ ся по трубе 23, через трубопровод 26, циркул5шионный насос 27, трубопровод 28 с клапа юм 29, назад в трубопровод 20 и восстановительную зону реактора. ГЗольщая часть вытекающего из холодильника газа рециркулируется по трубопроводу 26 1Юсосом 27 контура восстановительного газа и только незначительная часть газа удаляется из контура по трубе 23 для 1спользования в качестве топлива, склади1тования или выдувания в атмос|}хэру. Восстановленная руда охлаждается охлаждающим газом в охл 1луаающой зоне 2 реактора. Охлаждающий газ поступает в систему по. тру бе ЗО, снабженной напорным клапаном и регулято{юм .51 {исхода потока. Теоретически возможно использование многих охлаждающих газов, включая водород, метан или другие углеводородные газы, моноокись углерода и их смеси, углекислоту или азот. Согласно изобретению, губчатое железо наутле- роживается в охлаждающей зоне до жела- тельного контролируемого уровня. Для этого охлаждающая зона .должна содержат значительное количество науглероживающих компонентов. В некоторых случаях жела- тельно иметь используемый для пополне- ния охлаждающий газ с таким же соста- вом, как и поступающий из источника 32 пополняющий восстановительный газ. С этой целью трубу 17 соединяют с трубой ЗО трубопроводом 33, снабженным запорным клапаном 34. Поступив в контур, охлаждающими газ поступает к газодувке 35, нагнетательная сторона которой присоед шена к трубо проводу 13, содержащему автоматический регулятор 36 расхода потока. Газ, выходящий из зоны охлаждения по трубе 16, проходит через охладитель 37, где охлаждается и обезвоживается. Затем по трубе 38 он возвращаемся на вход газодувки 35. Охлаждающий газ может быть выпущен из охлаждающего контура по трубе 39, в которой имеется егулятор 40 потока. В некоторых случаях композиция охлаждающего газа такова, что выгодно направить в контур восстановительного газа. С этой целью труба 39 присоединена к передаточной трубе 41,оборудованной запорным клапаном 42,подключенным к трубопроводу 26. Таким образом, удаленный из контура охлаждения газ может быть введен в контур восстановительного газа. В случае нежелательности передачи отобран-. него охлаждающего паза в контур восстановительного газа, отработанный газ может быть пропущен через клапан 43 трубы 39 в трубу 23 и .далее выпущен в атмосферу, складирован или использован на топливо. Согласно изобретению, реакция сдвига вода-газ, обычно возникающая в верх ней части восстановительной зоны, форси руется путем ввода в контур с восстано вительным газом воды. Обычно пар ввоДИТС.Я в систему по подающей трубе 44 и течет по трубопроводу 45, имеющему клапал 46, в приточную камеру 47, из которой вводится через сопла 48 в верх НЮК5 часть рудного тела, аходяш.егося в восстановительной золе реактора. Пар может также поступать из трубы 44 по трубопроводу 40, имеющему клапан 50, в трубу 51 и далее через нагреватель 21 в нгокнюю часть восстановительной зоны 9. Кроме того, часть пара может быть введена в восстановительный контур через сопла 48, а вторая, незначительная, часть пара может плдаваться в трубопровод 2О через трубопровод 49. Количество используемого пара зави- сит от таких факторов, как водосодержание рециркулируемого газа, текущего по тру- бопроводу 28, температуры подаваемого в реактор Газа, скорости пропуска руды, Количество добавляемого пара составляет 1-20 об. %, количество введенного через трубопровод 49 и контур пара мо- жет составлять 1-5 мол.% циркулирующего газа, а количество пара, вводимого по трубопроводу 45 - 3-15 мол.% циркулируемого газа. В системе, представленной на фиг. 2, в контур восстановительного газа включен обособле1шый каталитический реактор. Газ, вытекающий из восстановительной зоны 9, поступает по трубе 10 и через рсаталитический реактор 52, а потом через трубу 53 течет в охладитель 22. Пар подается в реактор 52 по трубе 54, оборудованной клапаном 55. При такой форме реализации изобретения требуется обособленный агрегат. Зато реакция .между паром и восстановительным газом может контролироваться вне зависимости , от протеканияреакции в восстановительной зоне реактора. В таблице приведены данные для ряда примеров использования с добавлением и без добавки пара. Буквами F - р обозначены потоки, выраженные в стандартных единицах расхода потока , в каждой из пяти указанньтх точках системы: Р - трубопровод 18; f (2 -трубопровод 2О; f3 - трубопровод 13; 4 трубопровод 45; Pg- трубопровод 49. Приведенные в таблице параметры расхода потока были получены путем произвольной оценки добавляемого газа на тонну руды (пример 1) ЮО едшпцами расхода потока. Все остальные показатели расхода потока, которые приведены в таблице, отображают расхоа потока на 1 т руды приме- нительно к вышеуказанной исходной оценке. Сравнение примеров 1 и 2, с одной стороны, и примеров 3-7, с другой сторо}1ы, отчетлгто показывает, что добавлелие воД5ШЫХ паров в циркулирующий восстановительный газ существенно уменьшает науглероживание в восстановительной зоне и тем самым создает возможность эффективного регулирования степени . науглероживания в охлаждающей зоне, позволяя осуществить в последней более точное контролирование.
Формула изобр.етения
3,Способ по п. 1, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что в качестве металлической руды используют железную руду.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
25
iS
Sitl
