Способ получения доменного чугуна и восстановительного газа в выплавном газификаторе и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к способу получения доменного чугуна и восстановительного газа в выплавном газификаторе.

Известными способами решалась задача, с одной стороны, создания в выплавном газификаторе необходимую для плавления губчатого железа высокую температуру, а, с другой стороны получения экономичным образом высоко качественный восставительный газ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения доменного чугуна и восстановител11ного газа в выплавном газификаторе, включающий загрузку сверху частиц губчатого -железа, угля и при необходимости, добавок, вдувание поверх расплава кислородсодержащего газа и устройство для осуществления способа, содержащее выплавной газификатор в виде сосуда, облицованного жаропрочным материалом с отверстиями, для подачи угля и губчатого железа, выхода воестановительного газа, выпуска шлака и чугуна, узлы для ввода кислородсодержащего газа.

Выходящий из сосуда для плавления газ в специальной зоне риформинга, в которой сжигается избыток топлива с кислородом, подвергается обогащающей обработке. К горелкам подается зернистый или порошкообразный уголь и в качестве кислородсодержаще го газа преимущественно применяется технический кислород. Так как для создания требуемой для плавления температуры в сосуде для плавления имеется окисляющая атмосфера, то для за щиты расплавленного железа от повторного окисления и для улучшения восстановления к подаваемому губчатому железу подмешивается уголь или уголь отдельно вводится в сосуд для плавления. Дополнительный углерод поглощается жидким шлаком и жидким металлом и под влиянием имеющейся в сосуд для плавления высокой температуры способствует дальнейшему восстановлению окиси железа, тогда как одновременно расплавленное железо защищается от обратного окисления.

Недостатком является то, что для горелок может применяться только ; предварительно подготовленный зернистый или порошкообразный уголь и предварительная подготовка вызывает высокие затраты, кррме того, загруженные в сосуд для плавления частицы губчатого железа, пока они попадут в зону расплава, попадают в окисляющую атмосферу, в которой малые частицы губчатого железа полностью окисляются, так что способ оказывается пригодным только для переработки кускового губчатого железа. Требуется специальная зона риформинга для обогащения восстановительного газа.

Целью изобретения является повышение рентабельности.

Поставленная цель -достигается тем что согласно способу получения доменного чугуна и восстановительного газа в выплавном гази1 икаторе, включающем загрузку сверху частиц губчатого железа, угля, добавок, вдувание поверх расплава кислородсодержащего газа, в выплавном газификаторе образуют кипящий слой угля высотой 1,53,5 м, температуру которого в нижней зоне поддерживают в диапазоне 20002500 С, а температуру в верхней зонев диапазоне 1000-1400 С, при этом температуру частиц подаваемого железа поддерживают равной 500-950 С.

Температуру продуваемого кислорода или кислородсодержащего газа поддерживают равной 200-800с.

Газ вдувают из сопел, расположенных по периметру, газификатора так, что скорость поднимающегося потока, отнесенная к нормальному состоянию, менее 0,4 м/с.

В устройстве для получения доменного чугуйа и восстановительного газа в выплавном газификаторе, содержащем выплавной газификатор в виде сосуда, облицованного жаропрочным материалом, а отверстиями для подачи угля и губчатого железа, выхода восстановительного газа, выпуска шлака и чугуна, узлы в виде сопел для ввода кислородсодержащего газа, участок между плавильным горном и загрузочными устройствами газификатора выполнен в виде цилиндра с расширенной верхней частью, а узлы в виде сопел для ввода кислородсодержащего газа расположены в его нижней части по периметру и/или на разных высотах.

Устройство снабжено по крайней мере одной фурмой для вдувания водяного пара и/или углеводородов.

Изобретение основано на том, что при помощи горячего кипящего слоя

угля достаточной высоты в сосуде для плавления не только может быть достигнута в нижней области кипящего слоя угля температура между 2000 и , достаточная для расплавлеНИН, даже кускового губчатого железа, и на том, что этот кипящий слой угля замедляюще воздействует на кусковое губчатое железо, так чтъ обеспечено достаточное для него время пребывания в кипящем слое угля порядка величин нескольких секунд для того, чтобы нагреть его в теплообмене с кипящим слоем угля на несколько сотен градусов, вследствие чего можно очень быстро расплавить сильно заторможенное и тем самым взвешенное в области шлака губчатое железо. Мелкозернистое губчатое железо находится в Кипящем слое угля такое длитель ное время, что оно уже здесь расплавляется или нагревается в нужной мере. Особенно благоприятные условия создаются, если губчатое железо подается уже подгретым, например, с температурой 750 С, непосредственно из агрегата для восстановления. Для создания очень высокой температуры в зоне горячей температуры в нее вдувается предварительно подогретый кислород, т.е. кислород, который подогрет, например, до 350-450 С. в этот поток кислорода затягивается избыточное количество частиц .углерода из соседней области кипящего слоя угля. При этом получается сильно излучающее пламя, которое обеспечивает хорошую теплопередачу к расплавляемому губчатому железу. За счет различных эндотермических реакций температура кипящего слоя угля

понижается от зоны высокой температуры вверх-до значения между 1000 и 1400С, так что восстановительный газ выходит из сосуда для плавления примерно с этой температурой. Температурой и составом восстановительного газа, кроме того, можно управлять путем вдувания водяного пара или углеводородов примерно на середине высоты кипящего слоя угля. Указанные температурные условия делают возможным немедленное коксование поданного угля, причем более крупные куски угля разваливаются, так что даже при применении неклассифицированного угля с размером частиц 12 мм образуется кипящий слой, у которого

размер частиц кокса в основном лежит между 2 и 3 мм. Если применяются коксовая мелочь или бурый уголь, то нужно выбирать размер частиц таким образом, чтобы получался нужньш кипящий слой угля. Режим проведения способа обеспечивает полный крекинг тяжелых углеводородов и гарантирует при достаточной высоте кипящего слоя между 1,5 и 2,5 м состав га::а, у которого доля СО и Н составляет более 85%. Тем самь1м, без дополнительного обогащения получается восстановительный газ высокого качества и может применяться дешевый уголь без дорогостоящей предварительной подготовки. Для охлаждения кипящего слоя угля может также добавляться мелкая руда, которая принимает участие во флюидизации, восстанавливается и расплавляется в кипящем слое угля. Если добавляется тонкая руда нежелезных металлов, то тем самым можно легировать расплав.

Полученный высококачественный восстановительный газ может применяться в качестве восстановительного газа в таком агрегате для восстановления как шахтная печь прямого восстановления. Однако он может подаваться также и в доменную печь для того, чтобы в доменном процессе заменить высококачественный кокс восстановительным газом. Так,один килограмм кокса можно заменить 3-4 нм СО/Н.

0

при 1000 С. Таким образом, могут быть заменены восстановительным газом до 20% кокса. Восстановительный газ может использоваться также и для других целей.

На фиг. 1 представлен выплавной

газификатор для осуществления способа; на фиг. 2 схематически показано применение выплавного газификатора в процессе получения доменного чугуна из железной руды.

Выплавной газификатор 1 имеет нижний участок 2, в котором находятся доменный чугун и шлак, средний участок 3 для кипящего слоя угля и расширенный верхний участок 4. У соразмеренного на основе практических опытов выплавного газификатора высота предусмотренного для кипящего слоя угля среднего участка 3 составляет 2,5 м и высота верхнего участка от-«4 до 3 м. Внутренний диаметр в средней и нижней области составляет 3,2 м. Для выпуска доменного чугу на и шлака в области нижнего участка 2 предусмотрены отверстия 5 и 6, для вдувания кислородсодержащего газа трубы и сопла 7 (из которых изображена только одна над зеркалом шлака) и для вдувания водяного пара или углеводородов трубы и сопла 8 пример но в середине высоты участка 3. В этом примере предусмотрены для подачи угля в верхней области выплавного газификатора отверстие 9, для подачи губчатого железа, а также для отвода восстановительногсц газа отверстие 10. Частицы губчатого железа подаются в среднем участке 3 выплавного газификатора, где образуется кипящий сло 11угля с зоной высокой температуры 12в нижней, сопредельной со слоем шлака 13, области кипящего слоя yi- ля. Здесь температура изменяется в диапазоне 2000 и 2500°С. Температуры кипящего слоя угля снижаются ввер от зоны высокой температуры и в верх ней области кипящего слоя угля, к которой присоединяется пространство 14 для успокоения, достигают значения между 1000 и 1400°С. Через отверстие 9 непрерывно подается уголь, который затем через пространство для успокоения попадает в кипящий .слой угля. Уголь может подаваться с размером кусков до 12 мм и более, так как из более крупных кусочков угля из-за высоких температур ударообра.зно удаляется газ и они разваливаются. Поэтому в кипящем слое угля имеются частицы кокса размером 2 и 3 мм и указанной температуры. Для вдутого через сопла 7 (по возможности предварительно нагретого до температур между 350 и 450С) -кислорода для сдвигания в выплавном газификаторе имеются в избытке нагретые частицы кокса, благодаря чему получается сильно излучающее пламя указанной температуры, которое благоприятствует расплавлению губчатого железа. Подача кислорода при практических опытах производилась со скоростью 20-40 м/с. Скорость подни мающегося в кипящем слое угля газаносителя, с учетом возможно меньшего уноса угля, могла поддерживаться ниже 25 см/с. Введенное через отверстие 10 губчатое железо заметно затормаживается в кипящем слое угля и до вхождения в зону 12 высокой температуры нагревается не несколько сотен градусов. Тогда скорость падает настолько сильно, что шлаковый слой больше не пробивается, а губчатое железо плавает на шлаке и быстро расплавляется в области очень высоких температур на поверхности шлакового слоя или внтури него. При высоте кипящего слоя угля 11 и. пространства 14 для успокоения соответственно. 2 м, высоте шлакового слоя 0,3 м температуре в зоне 12 высокой температуры 2200с и в верхней области кипящего слоя 11 угля 1200с, т.е. при средней температуре кипящего слоя угля 1700°С, среднем диаметре образующих кипящий слой частиц угля 3 мм и среднем диаметре частиц губчатого железа 10 мм, которые добавляются с температурой 750 С, они практически беспрепятственно в течение менее, чем 1 с падают через , пространство 14 для успокоения, причем их температура повьш1ается только незначительно, а скорость падения повышается от О до 6 м/с. Частицы губчатого железа затормаживаются в горячем кипящем слое 11 угля от 6 м/с до 0,6 м/с., благодаря чему время пребывания здесь повышается примерно до 3 с. При этом частицы губчатого железа за счет теплообмена с кипящим слоем угля нагреваются от 750°С до 1000°С. Они попадают с пониженной скоростью на шлаковый слой, который имеет температуру около 1700°С и за очень короткое время расплавляются на шлаковом слое или в нем. Эффект затормаживания и нужное время пребывания в кипящем слое угля определяются подпорным давлением частиц угля и подъемной силой. Подпорное давление и подъемная сила, а тем самым и время пребывания зависят от подведенного количества кислородосодержащего газа и угля, от соотношения этих количеств друг с другом, а также от величины частиц кокса в кипящем слое угля, которое не должно быть меньше минимал ного размера 1 мм. Время пребывания наряду с высотой кипящего слоя угл зависит от величины частиц губчатого железа, которая не должна превышать 30 мм, и от скорости падения

71

частиц губчатого железа при вхождении в кипящий слой угля. Теплообменмежду частицами губчатого железа и кипящим слоем угля и нагрев частиц губчатого железа в кипящем слое угля наряду с временем пребывания зависит от температур в кипящем слое и от Величины частиц губчатого железа. При частицах больше 3 мм существенное влияние на повьпление температуры имеет тепловое излучение из зоны высокой температуры. Мелкозернистые частицы губчатого железа, например, с величиной до 3 мм, принимают участие во флюидизировании до тех пор, пока они, уже будучи ожижены в нижних зонах кипящего слоя угля, не осядут в ванне. Таким .образом, в выплавном газификаторе может плавить ся также и мелкозернистое губчатое железо.

Полученньй в выплавном газификаторе 1 восстановительный газ состот в основном из СО и Н и выходит из газификатора через отверстие 10 с температурой, которая примерно соответствует температуре в верхней области кипящего слоя угля, т.е. . В зависимости от сорта угля или смеси различных углей получают елаемьш состав и температуру выходящего из выплавногб газификатора восстановительного газа. Из-за хода реакции Будуара, с одной стороны, и ограничения точки размягчения золы углей, с другой, нужно поддерживать температуру около 1200 С в области кипящего слоя угля. Путем вдувания водяного пара или углеводородов через сопла 8 можно сместить состав к более высоким содержанием Н при одновременном снижении температуры кипящего слоя угля.

Кислородные сопла, расположенные по периметру выплавного газификатоа-, преимущественно направлены косо вниз к расплавляемому губчатому железу. Предусматриваются такие сопла в двух плоскостях с различными углами наклона. Так как оптимальная установка сопел изменяется с высотой зеркала шлака, возможно регулировать угол наклона сопел. Однако путем непрерывного отвода доменного чугуна и шлака можно поддерживать также зеркало шлака постоянно на одинаковой высоте.

699958

Пуск процесса в ход возможен за счет внесения коксового каркаса, в котором задерживаются падающие части цы губчатого железа и затем они могут быть расплавлены в зоне высокой температуры. Сопла 7 не должны быть направлены к центру кипящего слоя угля. Они могут быть также расположены эксцентрически. Благодаря этому

10 в зависимости от размеров выплавного газификатора в среднем участке 3 может быть достигнуто равномерное газицифирование. Если диаметр этого участка очень велик, например, превышает 4 м, то наряду с введенными сбоку соплами предусматривают также сопла из середины. Для получения жидкого доменного чугуна из оксидных железных руд над выплавным газификатором 1 расположена шахтная печь 15 прямого восстановления, к которой подается полученный в выплавном газификаторе восстановительньй газ, после того, как он в теплообменнике

25 16 отдал часть своего тепла предварительно подогреваемому кислороду для выплавного газификатора и был освобожден в циклоне 17 от захваченных частиц угля. Восстановленная -в восстановительной шахтной печи 15 железная руда попадает в виде нагретого примерно до 750 С губчатого железа в выплавной газификатор 1 и там плавится в доменный чугун.

Высота слоя может находиться в

интервале 1,5-3,5 м. Если нижний предел не достигается, то возможен прорыв кислорода, а создание высоты более 3,5 м неэкономично.

0 Температура в нижней области слоя, т.е. в зоне, где вдувается кислород, должна составлять 2000-2500°С. Если нижний предел не достигается, то затрудняется расплавление губчатого

5 железа, а повышение температуры свыше 2500 С экономически нецелесообразно.

Температура 1 000-1 400С поддерживается в верхней части псевдоожижен-

0 ного слоя. При этом, если не достигается температура 1000 С, увеличивается содержание СО в получаемом газе, а температура lAOO ограничивается рентабельностью способа, чтобы

5 предотвратить образование сгустков, при подаче к последующему агрегату восстановительный газ должен подводиться с температурой 800 С.

91

Температура подаваемого губчатого железа соответствует ЗОО-ЭЗО С. Причем при температуре ниже замедляется последующее расплавление, а при превьшении 930 С возможно образование спеков.

При увеличении скорости приведенной к нормальным уровням выше 0,4м/с недопустимо возрастает унос мелких фракций.

Газ, содержащий кислород может вдуваться с температурой помещения. Если он вдувается с температурой от 200 до 800°С, то появляется возможность уменьшить расход.кислорода. Повышениетемпературы кислорода ниже нерентабельно, а вьше 800°С те :нически не реализуемо.. I И р и м е р, В вьшлавной газификатор через отверстие 9 подают 9 т/ч угля, а через отверстие 10 поступает 10 т/ч губчатого железа, через сопла 7 вдувают 6000 кислорода, при этом через отверстие 10 выходит 1800 газа и образуется 9 т/ч чугуна. Газ имеет следующий состав, %: 70 СО; 24 2 4N, Состав чугуна, %: 96 Fe; 3,2 С; 0,16 S, остальное кремний, марганец и микроэлементыо Температуры соответственно в нижней зоне 2100С, в средней части псевдоожиженного слоя 1600С, а температура неочищенного отходящего газа 1100°С, давление

6999510

3,3 атм, высота, ожийсенного слоя уг ля 2,3 м, высота успокоительного пространства 4 м, температура подаваемого губчатого железа , Скорость газового потока составила

0,23 м/с. Если в данном примере кислород вдувается с температурой , то его расход можно уменьшить с 6000 до 3300 м (нормальных) в 1 ч,

to Скорость поднимающегося, газового потока внутри псевдоожиженного (кипящего) слоя угля определяется количеством вдуваемого кислорода, качеством используемого угля и поперечным сечением газификатора. При использовании угля с низкой теплотворной способностью для достижения указанных температур в высокотемпературной зоне (от 2000 до 20 2300 С) требуется более высокий

расход кислорода, чем при использовании более высококачественного угля, что ведет к более высокой скорости поднимающегося газового потока, 25 Однако она должна быть ограничена

значением 40,4 м/с, отнесенным к . нормальному,состоянию, так как в противном случае, вынос частиц угля станет нежелательно большим. Если

30 ограничение до значения ,4 м/с недостаточно, то соответственно должна быть уменьшена производительность плавильного агрегата по расплаву.

// / / / / / / / //////уу/

(HZ-.С о)

Фиё.1

1. Способ получения доменного чугуна и восстановительного газа в выплавном газификаторе, включающий загрузку сверху частиц губчатого железа, угля, добавок, вдувание поверх расплава кислородсодержащего газа, отличающийся тем, что, с целью повышения рентабельности, в выплавном газификаторе образуют кипящий слой угля высотой ,5 м, температуру которого в нижней зоне поддерживают в диапазоне 2000-2500 0 , а температуру в верхней зоне - в диапазоне 1000-1400 С, при этом температуру частиц подаваемого железа поддерживают равной 500-950°С. 2.Способ ПОП.1, отличающий с Я тем, что температуру продуваемого кислорода или кислородсодержащего газа поддерживают равной 200-8.00°С. 3.Способ по П.1, отличаю-;, щ и и с я сем, что газ вдувают из сопел, расположенных по периметру газификатора так, что скорость поднимающегося потока, отнесенная к нормальному состоянию, менее О,4м/с. 4.Устройство для получения доменного чугуна и восстановительного газа в выплавном газификаторе, содержащее выплавной газификатор в виде сосуда, облицованного жаропрочным (Л материалом, с отверстиями для подачи угля и губчатого железа, выхода восстановительного газа, выпуска шлака и чугуна, узлы в виде сопел для ввода кислородсодержащего газа, отличающееся тем, что, с целью повышения рентабельности, участок между плавильным горном и загрузочными устройствами газифиО5 со со катора вьтолнен в виде цилиндра с расширенной верхней частью, а узлы в виде сопел для ввода кислородсосо cm держащего газа расположены в его нижней части по периметру и/нли на разных высотах. 5.Устройство по П.1, о т л и-чающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одной фурмой для. вдувания водяного пара и/или углеводородов .