Способ получения передельного чугуна и газа для химического синтеза Советский патент 1984 года по МПК C21B11/00 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к способам по лучения передельного чугуна и газа для химического синтеза. Сырьем слу жат тонкозернистые материалы, главным образом состоящие из окиси желе за, например железорудный концентра обожженный железный колчедан и другие газообразные и летучие углеводороды и электрическая энергия. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения передельного чугуна и газа для химического синтезй, включающий непрерьшный ввод предварительно вос становленного железорудного концентр та с регулируемым количеством шлакообразующих в зону горения дуги чере полый электрод дуговой печи, в которой находится расплав чугуна. В зоне дуги происходит плавление материалов, окончательное восстановление железорудного концентрата, насыщение металлического расплава углеродом. Газ, получаемый на стадиях предварительного и конечного восстановления, частично используется в рециркуляции для предварительного восстановления и нагрева железорудного концентрата, а остальное количество для производства электроэнергии Cl Недостатком известного способа является применение твердых восстановителей или углеводородов с высоким содержанием углерода для получения чугуна, что вызвано стремлением сделать процесс получения чугуна эффективным. Использование твер ,дьж восстановителей затрудняет их очистку от вредных примесей, что приводит к загрязнению конечного продукта. Отходящие гаэы при проведении процесса используются для повьтения экономичности процесса, но использование их для синтезирования химических веществ затруднительно. Целью изобретения является эффективное получение чугуна и синтез-газ с низким содержанием примесей. Указанная цель достигается тем, что согласно способу получения передельного чугуна и газа для химического синтеза, включающему непрерывный ввод предварительно восстановлен ного железорудного концентрата с регулируемым количеством шлакообразующих в зону горения дуги через полый электрод дуговой печи с расплавом чугуна, в расплав чугуна вводят газообразные углеводороды на глубину йе менее 30 см, а газы, отходящие из дуговой печи, используют для синтезирования. Используют дуговую печь, работающую на постоянном токе. Температуру расплава чугуна поддерживают с помощью регулируемой подачи электроэнергии свьше , а содержание растворенного углерода в чугуне - свьш1е 2%. Газообразные углеводороды перед вводом в расплав чугуна подогревают. Газообразные углеводороды вводят не менее чем на 50 см ниже поверхности расплава. Для продувки расплава чугуна используют природный газ, состоящий в основном, из метана. Газы, отходящие из дуговой печи, после регулирования в них соотнощения СО и Н2, охлаждения и осаящения пыли используют для синтеза метанола . Газы, отходящие из дуговой печи, охлаждают путем непосредственного ввода Е них .регулируемого потока хладагента, предпочтительно смеси природного газаи водяного пара. Железорудный концентрат предвариteльнo восстанавливают с помощью газов отходящих из установки синтеза. Расплав чугуна перемешивают. Химические реакции, имеющие место в дуговой печи, можно проиллюстрировать с помощью следующих уравнений, предполагая, например, что в качестве углеводорода используется, метан, а окись железа - из материала, содержащего ее, была предварительно восстановлена до FeO/, 1,4СН 1,4С -ь 2,8 И 1,4С (Fe+0;2C) + 1,ZCO (2) FeOi,z+ 1,4 СНл (Fe -ь 0,2) -f + 2,8 Н - 1,2 СО ЛН -«-72,2 ккал. (3) Уравнение (1) иллюстрирует то, что происходит при введении предварительно подогретого метана в раслав чугуна, мётан разлагается и содержащийся в нем углерод раствояется в расплаве (С обозначает расворенньй углерод). Для того, чтобы асщепление было полным и выделивийся углерод растворился в чугуне вод природного газа должен осуествляться на достаточной глуине ниже поверхности расплава чууна. На практике необходимая глубина была найдена равной не менее 30 см, предпочтительно 50 см. Время контакта между метаном и сырым чугуном может быть дополнительно увеличено, если расплав сырого чугуна перемешивают, например, с помощью электромагнитного перемешивания. Уравнение (2) иллюстрирует то, что происходит под электродом на поверхности расплава чугуна, когда до некоторой степени предварительно восстановленный материал, содержащий окись железа, нагретый в зоне плазмы сталкивается с поверхностью. Окись железа, содержащаяся в концентрате, восстанавливается благодаря углероду растворенному в расплаве, плавится и науглероживается, при этом эквивалентное количество углерода окисляется до СО. Суммарная реакция (3) является в значительной степени эндотермической, требует высокой температуры рас плава (1200°С) и дополнительного подогрева газообразных углеводородов Энергия, необходимая для реакции, подводится с помощью дуги и составляет 2650 кВт1Ч/т Fe (при указанных условиях и коэффициенте полезного действия печи, равном 0,85). При использовании высших углеводородов расход энергии йесколько ниже. В дуговой печи таким образом полу чают передельный чугун и газовую смесь, содержащую 70% Н, и 30% СО. При использовании более высших по сравнению с метаном углеводородов концентрация К. ниже, а концентрация СО выше. Соотношение между Н и СО можно регулировать путем конвер сии части СО с помощью водяного пара над катализатором в Hg и C0,j, причем последний затем отмывают. Таким путем можно получить любое необходимое соотношение, которое особенно применимо для получения метанола. Ос новную реакцию при получении метанола можно проиллюстрировать следующим уравнением: 1,2СО+2,,АН2 (4) Как ясно из формулы (4), газ для химического синтеза содержит определенньй избыток Hj. Это является пред почтительным, поскольку благодаря этому можно предотвратить некоторые побочные реакции, нежелательные при синтезе метанола. Для того, чтобы обеспечить достаточную скорость реакции, реакция (4) 10 4 должна вестись при избыточном давлении и с помощью катализатора. Посколь ку конверсия при прохождении над катализатором является неполной, метанол отделяют, а не подвергнутый конверсии газ рециркулируют. Для поддержания надлежащего избытка Нл часть циркуляционного газа должна, однако, отводиться. Отведенный газ, состоящий в основном из Нл)согласно изобретению, используют для предварительного восстановления концентрата, что можно проиллюстрировать с помощью следующего уравнения; 0,5Fe,0,+0,.,+0,1Еу+ + 0,ЗН.,0 2 V (5) С точки зрения условий равновесия реакции (5) лишь 3/4 от содержащегося Н2 в отводимом газе можно использовать для предварительного восстановления. Энергия, содержащаяся в газах, выходящих после предварительного восстановления (физическая + химическая) , согласно изобретению, используется при сжигании газа с помощью воздуха, соответствующим образом подогретого, для подогрева концентрата перед предварительным восстановлением. Из уравнений 1-5 получена суммарная реакция 0,5Fe20.+1,4CH.(Fe+0,2C)+1,2CH,OH+ + 0, + 0,(6) При приведенных условиях на тонну железа в полученном передельном чугугне теоретически необходимы свьшге 560 нм металла и 2650 кВт. ч, и в качестве побочного продукта получают 680 кг метанола. Передельный чугун полученньй в )цуговой печи, имеет очень низкое содержание серы, поскольку углеводороды известным ранее методом были «Освобождены от серы до-своего введения. Кроме того, чугун, из-за условий в дуговой печи, имеет низкое содержание кремния (0,1%), а также марганца, что делает чугун, полученный в соответствии с изобретением, :исключительно пригодным для бесшлаково:го рафинирования,а это,в свою очередь удешевляет производство стали. На чертеже схематически изображен пример реализации предлагаемого способа (согласно данному примеру используется природный газ, главным образом состоящий из метана). Мелкозернистый железорудный концентрат, смешанный в регулируемом соотношении с подходящими шлакообразующими материалами и имеющий размер гранул 0-10 мм, достаточно 05 мм и предпочтительно 0-3 мм, перемещают из грохота 1 с помощью пита теля 2 в непрерывном регулируемом потоке в циклоны 3-5 предварительног нагрева. Циклоны вьтолнены таким же образом, как и подогревающие циклоны современной цементной печи. В циклонах смесь вступает в контакт по системе противотока с горячими газами, получаемыми в камере сгорания 6 сжиганием газов, отходящих из реактора предварительного восстановления 7, и, возможнор других топлив 8, например природного газа. Сжигание эти газов осуществляется с помощью возду ха 9, предварительно нагретого в газовом холодильнике 10. Отходящие газы из циклонов 3-5 очищают в фильтре 11 и затем выбрасывают наружу, в то как отделенную пыль возвращают в концентрат, Предварительно подогре тый материал направляют в реактор предварительного восстановления 7, где его в псевдоожиженном слое восстанавливают, приблизительно, до FeO, . После предварительного восстановления, проходящего при небольшом избыточном давлении, восстановленный материал через шибер 12 направляют в канал 13, расположенный по оси электрода 14 дуговой печи, работающей на постоянном токе. Электрод подсоединен соответствукицим образом как катод, в то время как расплав чугуна 15 подсоединен в качестве анода через один или несколько подовыХ электродов 16. Материал проходит (через канал 13 в зону плазмы 17 под электрод и попадает на поверхность расплава чугуна .15 в фокус 18, образованный дугой 19. Здесь окислы желе за, содержащиеся в материале, восста навливаются до Fe с помощью углерода растворенного, в расплаве, при этом вьщеляется эквивалентное количество СО. Содержание углерода в расплаве поддерживают на уровне свыше 2%, предпочтительно 2,5-4%, благодаря введению природного газа 20, предварительно подогретого в холодильнике 21. Вве дение газа производят в виде нескольких потоков 22 на глубину не менее 30 см, предпочтительно на 50 см ниже/

поверхности расплава чугуна.

При таком вводе природньй газ разлагается, причем реакция является.

чугуна 15. Очищенные газы компреми- ,., руют в устройстве 30 и направляют в установку синтеза 31. Здесь часть гакак уже отмечалось, эндотермической. При больших вводимых потоках поглощение тепла может быть настолько значительным, что существует опасность застывания в отверстии впрыскивающего сопла чугуна. Такое затвердевание можно предотвратить введением инертного газа концентрично по отношению к при-. родному газу. Перемешивание расплава можно осуществлять, например, наложением постоянного магнитного поля на расплав. Под влиянием перемешивания расплав перемещается мимо впрыскивающих сопел, образующиеся газовые пузырьки становятся при этом более мелкими и распределяются в большем количестве расплава. Это увеличивает поверхность контакта, а также время контакта. Водород, вьщелившийся при разложении природного газа в расплаве чугуна, смешивается с СО, вьщелившимся при восстановлении, и вьшускается через канал 23. Возможно охлаждение отходящих из печи газов благодаря непосредственному введению в газовьй поток подходящей охлаждающей среды, предпочтительно эквимолекулярной смеси природного газа и водяного пара. Охлаждение в этом случае происходит в учетом реакции СН4+Н20 CO-f3H, Н -«-49 ккал, (7) которая является в зна чительной степени эндотермической. Расход смеси метана и водяного пара соответствующим образом регулируют так, что температура газа на входе в холодильнике 10 составляет 800-1000 С, при этом 90% вводимых СН и Н-О подвергается (Конвертированию. Благодаря теплообмену с воздухом, выводимыми газами и рециркулируемыми газами в холодильниках 10, 24, 21 газы охлаждаются, при этом осажденная пыль отделяется в устройстве 25 и возвращается в концентрат. Затем газы очищают путем промывки водой 26 в скрубберах Вентури 27 и 28. В выводимой воде 29 содержится сажа, которая может быть превращена в углеводородную фазу, например путем обработки ее с помощью нафты. От нафты сажу можно отделить и продуть с помощью природного газа в расплав зов превращают в жидкие продукты, предпочтительно метанол. После конденсации в устройстве 32 и удаления жидких продуктов 33 остальные газы 34 рециркулируют через вспомогательный компрессор 35 в установку синтеза. Незначительную часть 36 газов вы .водят через редукционный клапан 37, с целью поддержать, избыток Н в установке синтеза на соответствующем уровне.. Выводимые газы соответ(ствующим образом используют после предварительного нагрева в одном 1 48 из холодильников 24 для предварительного восстановления описанным способом. Из дуговой печи выводят передельньш чугун 38 и шлак. В местах с легко доступным прирбдным или другими, газообразными углеводородами, например этаном, пропаном предлагаекий способ обеспечивает большие экономические преимущества благодаря высокой ценности получаемого продукта, низким производственньм расходам и низким капитальным затратам.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕДЕЛЬНОГО ЧУГУНА И ГАЗА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА, включающий непрерывньй ввод предварительно-восстановлен ного железорудного концентрата с ре гулируемым количеством шлакообразующих в зону горения дуги через польй электрод дуговой печи с расплавом чугуна, отличающийся ,тем, что, с целью эффективного получе НИН чугуна и синтез-газа с низким содержанием примесей, в расплав чугуна вводят газообразные углеводороды на не менее 30 см, а газы, отходящие из дуговой печи, использупт для синтезирования. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют дуговую печь, работающую на постоянном токе. 3.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что температуру рас- плава чугуна поддерживают с помощью регулируемой электроэнергии свьше , а содержание растворенного 1угйёрода в нугуне свыше 2%. . 4.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что газообразные углеводороды перёд вводом в расплав чугуна подогревают. 5.Способ по п. 1, отличающийся тем, что газообразные углеводороды вводят не менее чем на 50 см ниже поверхности расплава. 6.Способ по п. 1, отличающийся тем, что для продувки расплава чугуна используют природный . газ, состоящий, в основном, из метана. 7.Способ по п. 6, о т л и ч а ющ и и с я тем, что газы, отходящие СП из дуговой печи, после регулирования в них соотношения СО и Нл, охлаждения и осаждения пыпи используют для синтеза метанола. 8.Способ по п. 7, отличаю-, щи и с я тем, что газы,- отходящие из дуговой печи, охлаждают путем со оо IND сд {непосредственного ввода в них регулируемого потока хладагента,, предпочтительно смеси природного газа и водяного пара. 9.Способ по п. 1, отличаю и щийся тем, что железорудный концентрат предварительно восстанавливают с помощью газов, отходящих из установки синтеза. 10.Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплав чугуна п ер емещивают.