Способ и установка для прямого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля Советский патент 1985 года по МПК C21B13/02 

Изобретение относится к прямому восстановлению окислов железа в виде, окатшпей или-крупнокусконой руды в рафинированное железо в твердом состоянии в шахтной печи. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ пря мого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов гази фикации каменного угля, включакхций противоток горячих восстановительных газов и загружаемой сверху шихты, рециркуляцию, охлаждение и очистку колошникового газа и смешивание его с продуктами газификации, рециркуля цию и очистку охлаждающего газа, а также выгрузку продукта. Установка для прямого восстановления железа в шахтной печи с испол зованием продуктов газифика1ши каме ного угля содержит устройства загрузки и выгрузки шихты, патрубок ввода восстановительного газа, контуры рециркуляции колошникового и охлаждающего газов с холодильником- скруббером и газификатор твердого топлива, соединенный с печью трубопроводом l . Недостатками известного способа являются его сложность, а также высокий ра.сход угля. Основной проблемой, из-за которой процесс признает ся непрактичным или требует расхода угля в больших количествах, является то, что горячий газ, вьщеляющийс из прямоугольного газификатора, содержит незначительное количество восстановителей (СО + Н) по отношению к окислителям ( ) для его непосредственного и эффективного использования в прямом восстановлении железа. Цель изобретения - повышение эф:-фективности процесса. Поставленная цель достигается тем, что при-способе прямого восста новления железа в шахтной печи с ис .пользованием продуктов газификации каменного угля, включакнцем противоток горячих восстановительных газов и загружаемой сверху шихты, рецирку ляцию, охлаждение и очистку колошни кового газа и смешивание его с продуктами газификации, рециркуляцию и очистку охлаждающего газа, а также выгрузку прод5кта, от продуктов га2 2 зификации твердого топлива отделяют часть гготока, ох.иаждают и снова смешивают с основным потоком до Tot-meратуры 750-1050 С, затем очищают от взвесей и подают в шихту, содержащую кусконой окисный материал, твердое топливо и известняк. Кроме того, к смешиваемым потокам продуктов газификации добавляют часть охлажденного очиа1енного колошникового газа. При этом качество продуктов газификации имеет показатель 4-8. В установке для прямого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля, содержаи ей устройства загрузки и выгрузки пихты, патрубок ввода восстановительного газа, контуры-рециркуляции колошникового и охлаждающего газов с холодильникомскруббером и газификатор твердого топлива, соединенный с печью трубопроводом, трубопровод снабжен содержащим охладитель байпасом для разделения газового потока и установленным за ним циклоном, при этом байпас соединен с контуром рециркуляции колошникового газа. По данному способу необходимь приблизительно 6,1 Гкал угля для газификации, 0,6 Гкал углерода для реакции в печи, 0,8 Гкал угля с целью производства электричества для газифи1щрукндего кислорода для получения 1 метрич. т. железа прямого восстановления с одновременным производством 3,6 Гкал чистого топливного газа. Следовательно, для производства 1 метрич, т железа прямого восстановления расходуется приблизительно 3,9 Гкал. При этом реагирует только 80% добавленного в шихту углерода, а избыточный углерод выпускается вместе с железом прямого восстановления и может бьггь отделен от железа прямого восстановления магнитным способом и рециркулирован для дальнейшего сокращения потребления энергии в ходе процесса. На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа. Футерованная огнеупорным кирпичом противоточная печь 1 шахтного типа с восстановительной атмосферой имеет установленную сверху загрузочную воронку 2, в которую подается окись железа 3 в виде окисных окатьш1ей

311

и/или природной крупнокусковой руды, углерод (кокс) 4 и известняк 5 с поминальным размером частиц 5-30 мм. Загружаемые материалы опускаются в печь через подающую трубу 6 для образования внутри печи шихты 7. Восстановленные окатыши железа и/или кусковой продукт, непрореагировавший углерод, сульфид кальция и непрореагировавший известняк HJHI известь отводятся из нижней части печи через спускную трубу 8 с помощью разгрузочного конвейера 9, скорость движения которого контролирует скорость прохогодения шихты 7 через печь 1 .

Чистьм горячий восстановительный газ подается в печь 1 через впускную трубу 10 для горячего восстановительного газа, а затем через множество газовпускных отверстий 11, расположенных в стене из огнеупорного кирпича 12 в средней части печи. Горячий восстановительный газ движется внутрь, а затем вверх в противоположном направлении относительно опускающейся шихты (по стрелкам 13). Богатый СОо отработанный восстановительный газ (колошниковый газ) покидает шихту 7 около колошника на уровне засыпи 14, образуемой углом естественного откоса материалов, поступающих через подающую трубу 6 для окислов, через газоотводную трубу 15, охлаждается и очищается от пыли в холодильнике-скруббере 16 и удаляется из; системы в.виде чистого отопительного газа через трубу 17.

Нижний участок печи 1 имеет охлаждающую рециркуляционную схему газоотвода для охлаждения восстановленного железа до его выпуска, состоящую из впускного отверстия 18 . для охлаждакщего газа, соединенного с распределительным устройством 19 охлаждакяцего газа в печи 1, уловителя 20 охлаждакщего газа, расположенного над распределительным устройством внутри печи, трубы 21 для вьшуска газа и внутренней системы рециркуляции газа, состоящей из холодильника-скруббера 22, рециркуляционной воздуходувки 23 и примыкакщих трубопроводов.

Газообразователь 24 ископаемо-го топлива имеет соединенные с ним кислородный инжектор 25, паровой инжектор) 26 и форсунку 27 для ископаемого топлива. Кислород или кислород и пар

5162Ч

пос;тупают через инжекторы ддгя газификации ископаемого топлива чипа угля, лигнина или древесного угля в Газообразователь 24 с целью 1гплучб 5 ВИЯ горячего угля, которьй выходит из газообразователя через трубу 28 и далее поступает к разделителю 29,

Неорганические остатки сгорания 10 после газификации тогшива удаляются из газообразователя 24 через золоудалитель (не показан). Основная часть горячего газа из газообразователя в трубе 28 пропускается сквозь нагретое отверстие 30, которое создает сопротивление потоку и принуждает меньшую часть горячего газа пройти через отводной трубопровод 31 и холодильник 32. Затем охлажденньш газ проходит через трубу 33 и контрольный клапан 34 до смешивания с горячим газом в трубе 35. Температуре смешанного газа из газообразователя в трубе 36 измеряется термопарой 37, которая соединена с управляющим устройством 38, контролирующим положение клапана 34. В отдельных случаях охлажденньй отработанный колошниковьй газ (на выходе) могут быть частично или полностью реQ циркулирован в трубопроводе 39 как отпущенный газ. Отходящий газ содержит затвердевшие частицы из газообразователя, которые удаляются в циклоне 40. .Обеспыленный отходящий газ отводится из циклона по трубе 41 через впускное отверстие для восстановительного газа.

Противоточная шахтная печь признана самым эффективнь1м срёд;ством для производства железа прямогр восстановления. В таких печах горячий восстановительный газ служит для нагрева поступакщей холодной окиси железа до восстановительной температуры, а также для получения восстановителей (СО+11), необходимых для химического восстановления окиси железа в рафинированное железо. Опыт про1 «ышленной эксплуатации работающих на природном газе установок показал, что для пол ного использования химической эффективности противоточной шахтной печи с восстановительной атмосферой восстановительный потенциал горячего газа, т.е. его качество, которое определя-; ется соотношением восстановителей (СО+П) и окислителей (С02+Н20), должно быть не менее 8. 511 При газификации пьшсвидиого твердого ископаемого топлива типа угля Или лигнина в таком газообразователе с неполным окислением, как газообразователь 2Д, которьш производит горя чий 1аз, соларжащий, в основном, СО, Hj, С02 и ИуО наилучший показатель полученного промьштениым способом горячего газа равен 3-4. Изобретение предусматривает новышение качества газа в той же шахте печи, в которой происходит прямое во становление, и, таким образом, отпадает необходимость в дополнительном дорогостоящем и сло5кном оборудовании До настоящего времени сч 1талось непрактичным осутцествлят.ь реакцию окисления углерода (кокса) пои темпе 950 ратурах ниже поскольку при ОС лее низких температурах снижается скорость реакции. По зтой причине реакции по обогащению необходимо 6ы-ло осуществлять при температурах от 1350 С (температура потока газа, вь;-текающего из газообразователя) до 950°С. а затем охлаждать обогащенный газ до 815 С и ниже для его нсполь зования Е печи прямого восстановлени В ходе лабораторных исследований устаиовленОэ что углерод гфакти- ески реагирует с {.О и С02таже при такой низкой температуре, как , еслг--: реакция молсет проходить в речение относительно длительного , вре мени. Кроме того, горячий газ из газообразователя может быть введен в шахту печи прямого восстановления при те тературе, превьшлагащей 950 С. но до 1050 С это не приве.ает к склеиванию мета.плизиров нньх частиц в шихте при условии 5. что в нкхте гЕрисутствует углерод д,ля зпдотермическо го реагирования г По сушествуз углерод реагирует с охлалсдением ггечпой шихты„ Правильно сконструированная шахтная печь прямого восстаповлетг я предусматривает минимум 6 ч кахолчдения в шахте твердого материала и соответ ственно длительное время нахожцени ; В ней газ.а для осуществления реакид-ш прямого восстановления. Путем увеличения объема печи можно без труда без -особых затрат предусмотреть даже более длительный период нахо;-кдения материалов в печи. Данные длительные периоды позволяют практически осуществить реакг.щю углерода при пормапьГ1О1 экс.ггуатациок ои температуре в ходе процесса прямого восстановления в шахтной печи ( 750 -900с) . И 3 обре т е J-I и е , т а ки ixi о б р а з ом, о б ее - тгечивает значительное снижение издержек произ:в(;д,ства по сравнению с известной тех к о л о и е и, Описание изобретения в действии основано на газифихаци г полубитуминозного угля с использованием кислорода, НоО и .|1евид.чого в га- зообразователе с взвешенным слоем частиц, который производит горячий газ, содержащий, в ос.чоаном С0 И, (Ю у. i-yO, Т;::г-;пс;р;-пу а газификации в таком гя зообагзоват:;гтг; 400- с; При этой темпер- гура у-го,:п,ная зола переходит в жидкое cocTOfrt f-re;, вода охлалэдается к ;,да шечс:т -;з нижней части газообразооателя г 1чиде шлака. П р и м :: о, Яр peartipi:o-r и 2 неполного ;.);:: при 1380 С л : 4 j i . Из-за пзллгчия серы и одержит И S и СОЙ J яеко1 ::;о непрореагирозавшсго г: jc , in и у КС се н д;ается до г члсги горл™ ьник 32 нодячего газа но г о охля:г7 :с г, из пропускае- МО г о газа ко;, руется, что улуччастм га.за до 7,1, ijjciGT качсс-гъо до ; 5 , Любые жида, о т водимо го га г1зс 113 1 азообра Ki-ic Kari:e.fT hjo-: С 1;о;;.,исируются , Отводимый J5 .: ;лоне 40 пе- пить в печь 1 , ГолЫ-ГЬЕ; газ распреиг-гхггс 7 и затем стт;-; СП-ускакщейся с я из снеси лселезрлродной крупно.-р оде од е ржаще г о штepкaлa июрме 1астиц типа, кокса и ля обеспечения частиц кзвест хорошей лронл и размеры частиц AOJ&KHiji Зьггь 5 1а;хтсвал смбсь у 2 шахтной печи загру кае: ся 7 1 и самотелом ечся Б печь В ходе )г ;;агревается горячим газельи жг.пеза восстанавливаетсл а же. ;;згсст1шк калЬцицируется 3 мзвесть;, л о -гор ая р е г гир уi.r с серой в :3occTasfoBWTejibHOM газе с обрйзо)ап1-;ем суггьф:- д кальция 5 а 7.П углерод реагирует с COj и в восстановительном газе с образовар01ем СО и Hj,. Горячая шихта охлаждается в зоне вторичного ох.паждения печи и выпускается через, выпускную трубу 8 печи на разгрузочный коргвейер 9. Полученный из печи продукт состоит из железа прямого восстановления, непро реагировавшего углерода, непрореагировавшей извести или известняка и сульфида кальция. Железо прямого вос становления может быть подвергнуто магнитной сепарации для использования в дуговьо электропечах или просто грохочению для использования в до мениых печах. Горячий газ, содержащий С02 и пары НоО, подается в ишхту через впуск ные отверстия 11 при температуре око ло с качеством 4,8, и СОг и П2 реагируют с углеродом. Ввиду длительности нахождения ком понентов в шахтной, печи эти эндотермические реакцш продолжаются и охлаждают газ до почти 750 С с одновре менным обогащением газа в шихте до показателя качества 8, что пригодно для эффективной эксплуатации печи прямото восстановления. - В поступающем при 950° С в шихту орячем газе концентрация серы составляет порядка 4100 ч. на №шлион в конкретной указанной разнов Ц1,ности угля. Сера находится в виде. и COS, оба этих компонента реагируют с известью.

Т а б

лица 28 Сочетание относительно низкой температуры (950(.) с o6orar;ieii ii:;;-i до низших окислителей (СО. + ) г.оПствуе.т удалению ILS COS изяпстью. Компоненты серы, содкржшни.ся в гпзе, 1Гредпоч.тителыгее рсгш рукт с известью в шихте, содержащей известь и железо прямого восстаноплсния. В итоге получают низкосернистое железо прямого восста ;о1 ления. Требуемое количество известняка зависит от содержания серы в угле. Количество , образующееся в ходе указанных реакций обессеривания, составляет лишь небольшую часть от общего газа и оказывает незначительное воздействие на качество участвовавшего в реакцзп-: газа С02, выслобот-кд.е.чигьв) i хо.де кальг111нирования nsBecrsir,};.-) в негашенную известь, также ока.п. лишь незначитепзлюе ВОЗДСПСТРИО нл качество газа (оба этих пеяиачигслъ Ш.1Х включения COj+H О - учтены при составлении приводим1 1х таблиц) , Все сведенные в таблицы даншле основаны на получен4 и () метрич.т железа прямого восстановления со степенью металлизация 92% и сод ;ржа-нием углерода 1,5%. В табл.1 представлены данные о расходе газа и качестве газа (отношение восстановителя к окислителю) на участках, соответствуюш гх ссылкам на чертеже.

1. Способ прямого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля, включающий противоток горячих восстановительных газов и загружаемой сверху шихты, рециркуляцию, охлаждение и очистку колошникового газа и смешивание его с продуктами газификации, рециркуляцию и очистку охлаждающего газа,, а также выгрузку продукта,.отлич ающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса, от продуктов газификации твердого топлива отделяют часть потока, охлаждают и снова смешивают с основным потоком до температуры 750-1050°С, затем очищают от взвесей и подают в шихту, содержащую кусковой окисный материал, твердое топливо и известняк. 2.Способ по Н.1, отличающийся тем, что к смешиваемым потокам продуктов газификации добавляют часть охлажденного очищенного колошникового газа. 3.Способ по пп.1и2, отличающийся тем, что качество продуктов газификации имеет показатель 4-8. 4.Установка для прямого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов газификации О) каменного угля, содержащая устройстС во загрузки и выгрузки шихты, патрубок ввода восстановительного газа, контуры рециркуляции колошникового и охлаждакнцего газов с холодильни ком-скруббером, а также газификатор твердого топлива, соединенньй с печью трубопроводом, отличающаяся тем, что, с целью повьшения эффективности процесса, трубопровод снабжен содержащим охладитель байпасом для разделения газового потока и установленным за ним циклоном, при этом байаас соединен с контуром рециркуляции колошникового газа.

От газообразователя28

На отводе31

Восстановительньй10

Обогащенньй13

Отработанный восстановительньй

Охлалщенный колошниковый топливный на выходе

В ставдартных кубических метрах.

В табл.2 представлены данные о потребности в исходных материалах для угольного газообразователя 24.

Таблица 2

В табл.3 приведены потребности в исходных материалах и продукций, полученной в шахтной печи 1 прямого восстановления, в табл.4 - расход энергии.

Т а б л и ц а 3

54,0

69,3 .15,1

19,4

Продолжение табл.1

1996

1577

1,5

1,А

1827

1453

1,9

1,7

Продолжение табл.3 25,0

19,5 72,9

54,0 43,2 58,3 14,6

10,8

Таблица 4 6,1

5,1 0,6

0,4 0,8

0,6

111155162

ПродолжеНИР, табл.4

. 2,8

3,6 3,3

3,9

Приблизительно 230 кВт.ч при -30%ной эффективности преобразования.

На табл.5 представлена температура гаяа на отдельных участках процесса .

Таблица На выходе из газообразоваНа выходе из холодил ь н ик а на отводной Газ образователя 27 50,07,8 Выход из холодильника на отводной трубе33 54,68.5 К шахте41 51,58,0 После реакции с углеродом13 34,47,4

2

Продо.чжениг. табл. 5 3

восстановле41

950 ния

После реакции

13 730 с углеродом (в шахте)

15

660

После реакции с угле17родом

40 2Q

Таблица 6 В табл.6 и 7 показаны результаты анализа газа в указанных местах процесса для газа газификатора с качеством 4,1 (низкий показатель) и качеством 8,0 (высокий показатель) соответственно. 29,211,70,10,84000 31,93,60,10,94400 30,19,00,10,8. 4100 33,73,70,10,8 На выходе из шахты прямого восстановления1432,8 28,4 Топливный газ на выходе 17 35,8 31,0

Теплотворность несущего топлива 1959 Ккал/Нм (ННУ). Газ газообразо2757,44,6 вателя Вькод из холодильника на отводной 3359,14,7 трубе 4157,94,6 К шахте После реакции с 1361,13,4 углеродом Выход из шахты прямого восста1433,530,1 новления Топливный газ на выходе 1736,432,7

Теплотворность несущего топлива 1904 Ккал/Нм (ННУ).

Продолжение табл.6

Таблица 7 26,1 11,2 0,11,4 28,5 3,0 0,11,6 30,36,30,10,940t)0 31,23,60,10,94100 30,65,40,10,94000 33,11,40,10,9 23,910,60,11,7 26,03,00,11,8О

15115516

ПредлагаемьпЧ способ получения железа прямого восстановления с использованием вырабатываемого угольным газообразователем газа в качестве источника восстановителя с одновремен- 5 IF&IM получением чистого топливного га.за для дальнейшего использования после его отвода с установки является

энергетически иыгпдпым, ) также кр фектив1,1м как c ioco6 прямого . зования горячего газн от уг(1.пьнот о газификатора пУтем увеличения восстановительного потергциллл газа от газообразователя посредством реакции с углеродом в той же шахте печи,в которой происходит прямое восстановление железа.