Способ восстановления железосодержащего материала Советский патент 1983 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к способу восстановления мелкодисперсного же лезосодержаи1его материала для получения сырого железа или металлизированной железной руды,

В настоящее время предпринимаются многочисленные попытки разработать способы получения сырого железа посредством восстановления железосодержащего материала, например окислов железа. Сырое железо может далее конвертироваться в процессе восстановления или оставаться в качестве исходного материала для дальнейшей переработки в производстве стали.

-. Восстановление протекает при температуре ниже температуры плавления железа, а железоеодеру ащий материал, и восстанавливающее вещество находятся в мелкодисперсном состоянии. Испол

зуемое восстанавливающее вещество представляет собой ископаемое топливо, например антрацит, уголь, лигнит нефть или естественный газ. Эти топлива коксуются в различной степени в твердый углеродсодержащий материал который присутствует в начальной смеси наряду с желеяосодержащим материалом .

Процессы восстановления, как правило, осуществляются в несколько ста дий ив различных установках, например во вра|цающихся печах или в печах с псевдоожиженным слоем, и требуют использования высокореакционных восстановителей и больших температур Г П

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаеfMOMy результату является способ, включающий стадии п зедварительного нагрева, предварительного и окончательного восстановления газом, отходящим из предыдущей стадии восстановления 23.

Скорость процесса восстановления, особенно окончательного восстановления до металлического железа, зависит от размера частиц железосодержащего материала, а также от реакционной способности восстанавливающего вещества. Наиболее предпочтительные ископаемые топлива, например уголь ная пыль, требу|лт сравнительно высоких,температур для достижения достаточно быстрых реакций пиролиза и газификации, в результате которых образуются восстанавливающие реагирующие с железосодержащим материалом.

Цель изобретения - повышение скорости восстановления,

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу восстановления железосодержа1цего материала в мелкодисперсном состоянии, включающему стадии.предварительного нагрева, предварительного и окончательного восстановления газом,отходящим из предыдущей стадии восстановления, стадию окончательного восстановления осуществляют твердым биотопливом, подаваемым совместно с железосодержащим материалом.

Стадию окончательного восстановления осуществляют с железосодержащим материалом, измельченным в шаровой мельнице до размера частиц, мег нее 0,01 мм, при ЛО-60П С; по крайстановления проводят под давлением. В качестве биотоплива могут быть использованы растительная биомасса, получаемая в качестве сырого материала с плантаций, например, быстрорастущей ивы или тополя, отходы производства бумаги и пульпы .(древесина и кора) или солома, бурые водоросли, торф и .

30 На фиг.1 представлена схема осуществления способа; на фиг. 2 и 3 графики, демонстрирующие свойства биотоплив, используемых при осуществлении предложенного способа; на

35 фиг. t - устройство для осуществления способа.

Процесс восстановления железосодержащего материала, например концентрата железной руды, включает нес4окрлько стадий: стадию предварительного нагрева, стадию предварительного восстановления и окончательную Стадию восстановления, причем эти стадии могут сопрйвождатвся окончательной обработкой, каждая из стадий может включать несколько промежуточных стадий.

На окончательную стадию восстановления добавляется биотопливо,в

JQ. результате чего железосодержащий материал восстанавливается двухвалейт ное желёзо(восстанавливается до металлического .

В результате пиролиза образуются

весьма реактивные восстанавливающие газы и высокореактивный остаток,пиролиза ( превращенное в уголь вещество). Остаток пиролиза часто составляет значительно меньней мере, стадию окончательного воеШую часть от добавляемой загрузки топлива во время быстрого пиролиза, прот е кающего при , по сравнению с остатком при использовании извесУных ископаемых топлив (ископаемые топлива имеют значительно более высокую термическую стабиль ность, чем биотоплива). Благодаря более реакцйонноспособ ному восстанавливающему газу процесс восстановления может осуществляться при более низкой температуре притакой скорости, что так называемая про блема плакирования устраняется. Оставшееся превращенное в уголь вещество особенно эффективно для ингибирования образования покрытияо Когда окончательное восстановление проводится при температуре л/ 600 или ниже желательно,рециркулировать часть таза от окончательной стадии восстановления (см. Лиг.1). Основную часть (а иногда и все) требующегося тепла для предварительного восстановления и окончательного восстановления получают при сильном предварительном нагрева железосодержащего материала в предваритель ных стадиях, что преимущественно осу ществляется посредством сжигания остающегося восстанавливаюодего газа со стадии предварительного восстанов ления. Реакции пиролиза и газификации также требуют энергии, причем эти потребности могут быть удовлетворены подобным.образом. Основное преимущество npti использовании биотоплива состоит в том, что потребность в такой энергии чрезвычайно мала (при использовании биомассы тер мохимический процесс может быть экзо термическим) . , Часто бывает желательным использовать как можно больше энергии, qo держащейся в.восстанавливающем веществе в форме химической энергии. посредством уравновешивания различных процессов с прямым и косвенным теплообменом. Окончательная обработка (см. фиг, 1) может содержать, например, инактивацию весьма реакционноспособного .пирофорного продукта сырого железа, получаемого во время низкотемг пературного восстановления мелкодисперсного концентрата железной руды, и плавление в электрической печи для последующей очистки. В таблице приведен сравнительный . химический состав биотоплив и ископаемого топлива (угля). Растительная биомасса имеет высокое содержание кислорода, что объясняет-, его высокую реакционную способ ность при низких температурах по . сравнению с ископаемыми топливами. Торф представляет собой постоянно растущую массу, очень близок к биомассе по своему химическому строению и термодинамическим свойствам и вследствие этого в большей степени относится к биотопливу, чем к ископает мому топливу, и поэтому может быть использован при осуществлении предложенного способа. Также возможно смешивать различные виды биотоплив, например торф и древесину. Природная биомасса имеет высокое содержание воды, которое должно быть максимально уменьшено (примерно до 30% по весу), перед исполь зойанием биомассы в качестве биотоплива. Осушка может быть легко осуществлена с помощью щелочныхсушилок или другими способами за счёт использования избытка тепла от процесса создания «-уГуна. Пар, образованный во время процессов восстановления, может быть использован для частичной газификации превращенного в уголь вещества, полученного при пиролизе. 5 Графики (фиг, 2 и 3) демонстрир ют различный химизм процесса с при кением биотоплива по сравнению с и пользованием твердого ископаемого топлива, -На фиг. 2 - график, поясняющий зультаты эксперимента для сравнени природы определенных восстанавлива ющих веществ, когда они подвергают пиролизу со вспышкой, а именно при подъеме температуры со скоростью в минуту в а мосфере аргона, там же указан процент-оставшегося восстанавливающего вещества ( вычисл ного на базе свободной влаги и своб ной золы) в зависимости от температуры пиролиза. Как видно, из графика фиг. ., биотопливо С торф, кора, тополь и солома) показывают большие потери веса при значительно более низкой температуре по сравнению с углем. На фиг. 3 - график/ поясняющий результаты эк ::перим }нта по сравнению скоростей газификации определен ных превращенных в уголь веществ, когда они подвергаются увеличивающейся температуре газификации в атмосфере аргон - водяной пар, содержащей 73 об, водяного пара , .Как видно из этого граф-ика, превращенное в уголь вещество из биотоплива { тополь) газифицируется при более высокой скорости и при меньшей температуре, чем уголь. Селезосодержаи1ий материал может включать мелкодисперсную железосодержащую руду, например сидерит (РеПОг), магнетит () и гематит (), Сидерит содержит железо в двухвалентном состоянии, поэтомЗ стадия предварительного восстановления, заменяется стадией .кальци« нирования для удаления двуокиси углерода, В качестве железосодержащего материала могут быть использованы также -фиолетовая руда или другие мелкодисперсные продукты, содержащие окиси железа, такие как пыль и штыб из доменных печей, стальных производств и прокатных станов. В последующих процессах очистки могут использоваться различные догбавки, например окиси или карбонаты щелочноземельных металлов, которые также используются для предотвращения плакирования во время окончател ной стадии восстановления. 97 Размер частиц железосодержаьмпго материала должен быть меньше мм, когда способ осуществляется в одном или более обычных псевдоожижкнных слоев, и должен быть меньше 0,5 мм, когда осуществляется в так называемых быстрых или циркулирующих псевдоожиженных слоях. Частицы биотоплива должны быть больше частиц железосодержащего материала в 2-3 раза т.е. эти частицы имеют размер от О,5 мм до нескольких сантиметров. Таким образом, возможно использовать древесные щепки в обычных псевдоожиженных слойх, .в то время как в циркулирующих слоях или для восстановления сильно размельченного железосодержащего материала, например концентрата железной руды, подвергнутого шаровому помолу, необходимо использовать мелкоразмолотый древесный порошок с размером частиц мм. Быстрыё7|роцессы восстановления, коТОрые характерны для изобретения, промотируются, если железосодержащий материал, а также биотопливо присутствуют в мелкоразмолотом состоянии. Промышленно доступный концентрат железной руды, например концентрат .железной,руды из рудников в Кринуа и Малмбергета (Швеция),. особенно пригоден для осуществления предложенного способа без специальной предварительной подготовки. Возможно осуществлять окончательную стадию восстановления при очень низком температуре в диапазоне 00-60П С за счет дальнейшего шарового помола концентрата железной руды до размера частиц 0,01 мм или меньше, так что окончательное восстановление проводится пря МО до металлического железа без промежуточного перехода в двухвалентное состояние. Возможность осуществления окончательного восстановления при такой низкой температуре определяется только термодинамическими свойствами этих топлив, Сильно размельченный порошок сьфого железа может в определенных случаях прямо использоваться для металлургических процессов, таких как получение электродов из пористого железа для аккумуляторов различного типа. Прямое использование сырого железа возможно только в том случае, если оно имеет такой химический состав относительно других металлов и элементов, например, серы, который может быть либо допущен в окончательном продукте, либо может быть скорректи рован посредством выбора соответствующих условий реакций. Превращенное в уголь вещество, сопровождающее порошок рырбго железа, может либо быть отделено с помскцью магнитных сепараторов, которые отделяют железо, или может быть оставлено в продукте для различных назначений, например для использования материал в качестве прокладки при производстве спеченных изделий из пористого железа. Пpoctoй реактор для осуьцествления предложенного способа имеет единственнп гй классический псевдоожиженный слой, в котором восстановление осуществляется периодическим способом. Реактор включает сосуд 1 с газораспределительной плитой 2 в его нижней части, газоподащую трубу 3, выпускную трубу 4 для газа, подак%(ие средства 5 для биотоплива и загЬузоч ные средства 6 и выгрузочные средств г7 для железосодержащего материала. Псевдоожиженный слой R псевдоожижается посредством газа, подаваемого через трубу 3 и/или газа, который возникает из биотоплива во время око . чательного восстановления. Действие псевдоожиженного слоя зависит от бол шого числа дополнительных устройств, таких как клапаны, связывающие трубы сепараторы пыли, индикаторы регулиро вания процесса, теплообменники, средства загрузки для топлива, . средства для добавления воздуха и/или кислорода нё показаны). На первой стадии осуществления способа производится загрузка зелезосодержащего порошка в реактор, нагреваемый до 1000-120Р С горячими газами, которые возникают при сжигании восстанавливающего газа, выводимого из второго подобного реактора, где предварительно нагретый железосодержащий поршок подвергается стадии предварительного восстановления. Этот второй реактор, в сво очередь, получает свой восстанавливающий газ из третьего под OIHO г о реактора, в котором предварительно вое становленный железосодержащий порошок подвергается стадии окончательного восстановления. Предваритель ное восстановление во втором реакторе начинается при температуре пред 10 97 верительного нагрева 1000-120П С, а затем температура уменыиается до /v-SOO C, и в это время начинается, стадия окончательного восстановления в этом реакторе посредством; загрузки биотоплива, что приводит в результате к дальнейшему уменьшениьЗ температуры до- бОО С. Соответствупщие условия для псевдоожижения поддерживаются посредством рециркулирования восстанавливающего газа и регулирования загрузки биотоплива. Дополнительное тепло для регулирования темп«эратуры обеспечивается подачей воздуха и/или кислоро- да. Двуокись углерода и воду удаляют известным способом перед рециркулированием восстанавливающего газа. Большим преимуществом является проведение процесса с более чем тремя реакторами и в более чем три стадии процесса. Использование, например, трех реакторов, соединенных в серию на ста дию предварительного нагрева, делает возможным проведение процесса в трех различных температурных диапазонах в трех реакторах, причем последний реактор серии нагревается газом , выходящим из предшествующего реактора, который сам, в свою очередь, нагревается выходящим газом из начального реактора серии. Таким образом, возможно уменьшить температуру выходящепокидающего систему, до Средго газа, (. . него уровня Кроме того, предложенный способ может быть осуществлен в двух псевдоожиженных слоях, соединенных в серию непрерывно. . В этом случае один псевдоожиженный слой выполняет гьункцию предваритепвмого нагрева и действует постоянно при 1100-120П С за счет сжигания выходящего газа. Предварительно нагретый материал, содержащий окись железа, непрерывно покидает предварительно нагретый слой, в котором одновременно происходит предварительное и окончательное восстановление. Восстанавливающий слой действует при . Биотопливо подается непосредственно в слой вместе с рециркулируюсчим газом и, возможно, воздухом и/или кислородокГ. Выгруженный восстановленный материал может направляться непосредственно для очистки или прессования изделий из сырого железа. Энергия горячего газа выходящего, из предварительно нагре того слоя, может использоваться известным способом в бойлере для полу чения электрической энергии, пара и горячей воды. -Время реакции может быть значительно уменьшено, если стадии предварительного и окончательного восстановления осуществляются под давлением, например 0,5 - 2МРА, Принцип периодического реактора особенно пригоден для. восстановления под давлением. Прессование также обеспечивает более быструю загрузку био топлива. Скорость загрузки часто ог .раничена при атмосферном давлении необходимостью ограничить скорость газа для оптимального псевдоожижения Время реакции, а также размер слоя зависят от большого числа факт торов, в частности от размера частиц до авления и температуры про;цесса. Как показали лабораторные экс

UiF 6ОВ 900 TtHntpoffypo ffuftMuyo С

06o3He«ffvt

iftffjf

... торф

Jмора

/ptfteaHa м

..« СОЛОНА фи«.2 9710 процесс может длиться приперименты, ч или меньше при л800 С для мерно 1 окончательного восстановления. Сжигание биотоплива зависит от схемы процесса. Проведение процесса с одним псевдоожиженным слоем при 300 с одновременной подачей тепла Xза счет частичного окисления) Tpe6yet для стадии предварительного и окойчательного восстановления 2 т биотоплива на 1 т продукта (восстановление 90%). Большая часть энергии битоплива, подаваемого таким образом, заключена в выходящем газе, который покидает систему и может быть использован, например, для получения энергии. Процессы, предназначенные для максимального использования энергии битоплива . в системе, могут требовать;до 0,5 т битоплива на 1 продукта. Способ может также осусцествляться в других типах реакторов.

06озна /е ия:

--i- ffrof7o/ 6ffrt/p0jfi/3 CO fcfnnu/w)

fftO/fOMf0f6/VHHt/ /rVpff/Jt/j)

уг&ль

3(.

fr

гоГ

- w700

TfM/tfpo/nyfta fosutpuHotfui/ C

HS

т

JOOO (pus.d

%.CV:Y ,:/.

V . . , / , «,

.--... /

.

1. СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА в мелкодй сперсном состоянии, включающий стадии предварительного нагрева, предварительного и окоМнательногр восстановления газом, отходящим из HnatHt каждой предыдущей стадии, о т л ичгю|Дийся тем, что, р цельюповышения скорости восстановления, . стадию окончательного восстановления осуществляют твердым биотопливом, подаваемым совместно с ж€$лезосодержащим материалом. . 2.Способ по п, 1, отличающийся тем, что, стадию окончательного восстановления осуществляют с железосодержащим материалом, измельченным в муаровой мельнице до размера частиц менее 0,П1 мм, при 00-600°С. 3.Способ по п. 1, или п. 2, о т.личающийся тем, что, по ней мере, стадию окончательного вос(Л становления проводят под давлением. ЛепезоеоВиялошии Homfpuoa totauf к со uomonnuto lomotti& V Фиг Г

фиеЛ