Способ восстановления оксидсодержащего материала и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК C21B13/00 

частиц. Камера сгорания смонтирована на верхней части устройства для окончательного восстановления например, конвертера 4, который с помощью отверстия 5 в его верхней части соединен с нижней частью камеры сгорания.

Материал, содержащий оксид металла, например, обогащенная руда или рудный концентрат, содержащие железо через за- .грузочный узел 6, загружается в нижнюю часть реактора 2. Одновременно горячие газы при температурах примерно 1400 - 1800°С вытекают из размещенной внизу камеры сгорания через отверстие 7 в реакторе, псевдоожижая подаваемый рудный концентрат. Температура в камере сгорания и, таким образом, температура отходящих газов меняется в зависимости от того, какие оксиды металлов подвергаются предварительному восстановлению. Оксиды никеля требуют более высоких, а медные оксиды - более низких температур по сравнению с вышеупомянутыми оксидами. Рудный концентрат нагревается горячими газами в реакторе 2 до температуры, которая является ниже температуры спекания материала, т. е. приблизительно 600 - 950°С. Даже в этом случае температура зависит от вида оксидов металла, подвергаемых предварительному восстановлению, никелевые оксиды требуют более высокой, а медные оксиды более низкой температуры, чем оксиды Fe. Если температура поступающего газообразного восстановителя слишком велика, то она может быть снижена сразу же после поступления в реактор для восстановления в кипящем слое или перед поступлением, например, путем повторной циркуляции частиц очищенных и охлажденных отходящих газов.. Обычно общее количество газа, выходящего из камеры сгорания, используется для нагрева рудного концентрата, но если температура концентрата в реакторе для восстановления в кипящем слое стремится стать слишком высокой, то часть газов, выходящих из камеры сгорания, вместо этого может использоваться для предварительного нагрева воздуха, топлива или коксообразователя.

Рудный концентрат должен иметь размер частиц, подходящий для предварительного нагрева и восстановления. В большинстве случаев подходящими оказываются частицы диаметром менее 1 мм. Псевдоожижающие газы перемещают рудный концентрат в верхнюю часть реактора по каналу 8 из реактора в сепаратор 3. На данном рисунке изображен сепаратор частиц типа вертикального циклонного сепаратора, но могут также применяться и другие

сепараторы или сепарационная система, предназначенные для данной цели. Очищенные отходящие газы выходят из сепаратора через отверстие 9. Отделенные частицы возвращаются из нижней части циклонного сепаратора по обратному трубопроводу 10, в реактор для восстановления в кипящем слое 2, или по входному трубопроводу 11 в камеру сгорания. Отношение

0

рециркулирующего материала к материалу,

который должен быть непосредственно введен в камеру сгорания, может регулироваться при помощи устройства 12. В некоторых случаях повторный возврат в реактор не

5 обязателен, но для получения рав номерно- го и быстрого нагрева-рудного концентрата в большинстве случаев выгодным является циркулирующий слой..Массивность циркулирующего слоя сама по себе оказывает ста0 билизирующее влияние на теплоперенос в реакторе.без оказания влияния на энергетический баланс. Время выдержки частиц, в циркулирующем слое увеличивается и мо- ; жет лег ко регулироваться, что приводит к

5 очень гибким процессам.:

Восстановитель в виде частиц, например, в виде угля или кокса 13, и газ, поддерживающий горение, например, воздух . обогащенный кислородом, например 17%

0 кислорода, или газообразный кислород 14, смешивается с материалом в трубопроводе 11. В соответствии с методом, предлагав- / мым настоящим изобретением, могут быть v также использованы низкосортные углерод5 содержащие восстановители, например, торф, бурый уголь, каменный уголь. В некоторых процессах восстановительный потенциал газообразных восстановителей в окончательной фазе восстановления доста0 точен для предварительного восстановления концентрата железной руды. В этих, случаях подача восстановителя в камеру сгорания может не проводиться. Коксообра- зующее вещество или флюсующая добавка

5 могут также загружаться в камеру сгорания или в реактор для восстановления в кипящем слое вместе с рудным концентратом или непосредственно через отдельные входные отверстия. Кроме того, уголь или

0 кислород могут подаваться непосредственно в камеру: сгорания по отдельным отверстиям.

Перед поступлением в камеру сгорания входной трубопровод 11 разделяется на

5 множество субтрубопроводов 15, которые имеют вид круга И вводятся в камеру сгорания при помощи патрубка 16. Если реактор с кипящим слоем снабдить несколькими параллельными сепараторами частиц, то трубопровод 11 может входить в камеру

сгорания от каждого отдельного сепаратора по отдельным патрубкам, предназначенным для каждого сепаратора, соответственно. , В показанном варианте конструкции патрубки размещены по окружности в ниж- ней части камеры сгорания. Патрубки направляют материал, подаваемый в камеру сгорания наклонно вверх-внутрь по касательной к воображаемым горизонтальным окружностям внутри камеры сгорания. Диа- метр 17 этих окружностей меньше поперечного сечения камеры сгорания.

Горячие восстановительные продукты горения, например СО и Н2, образующиеся на этапе окончательного восстановления, перетекают через отверстие 5 в камеру сгорания. Воздух или газообразный кислород, подаваемый через патрубки 15, хорошо смешаны с горячими газами и эффективно сжигают перемещающиеся сверху газы в зоне окисления в центре камеры сгорания, генерируя таким образом теплоту для плавления поступающих материалов; содержащих оксиды металла. Газ подается в камеру сгорания наклонно вверх вовнутрь по касательной и при соответствующей скорости создает циклонный эффект, который приводит материал во вращательное движение внутри, камеры сгорания, способствуя эффективному смешиванию газа и частиц. В то же время расплавленный материал, содержащий оксиды металла, как это показано на фиг. 2, быстро перемещается наружу по стенкам 18 камеры сгорания, образуя тонкий слой 19 расплавленного оксида ме- талла. Частицы кокса 20, которые не сгорели, смешиваются с расплавом оксида металла 19, вызывая непрерывное восстановление, благодаря тонкому слою газообразноговосстановителя 2 1, появляющемуся над расплавом и частично в нем, около стенки. Доля частиц, содержащих кокс; следует с расплавом на участок окончательного восстановления.

Естественно, материал, который дол- жен подаваться в камеру сгорания, может поступать через отверстия в стенках или крышке камеры сгорания без использования правильных патрубков, предварительно таким образом, чтобы материал мог быть направлен в желаемом направлении. Все материалы, например, рудный концентрат и кислород, или возможно воздух, не должны смешиваться до камеры сгорания, но важно, чтобы газ, поддерживающий горение, эффективно смешивался с газами в камере сгорания и чтобы материал, содержащий оксиды металла, мог, эффективно поглощать теплоту из пламени.

Предпочтительно, чтобы стенки 22 камеры сгорания были мембранного типа, по трубкам в которых протекала бы вода или пар. Мембранная стенка охлаждает слои расплава оксида металла 23 ближайшей к стенке, который затвердевает и образует твердый слой. Этот твердый слой защищает стенку от износа. Расплавленный оксид металла непрерывно стекает вниз по стенке и в расплавленном состоянии и после предварительного восстановления попадает на участок окончательного восстановления, например в конвертер 4, который соединен с камерой сгорания.

Газообразные восстановители, перемещаясь вверх по камере сгорания, будут полностью выгорать в зоне окисления камеры сгорания при помощи подаваемого кислорода и отводиться из камеры сгорания в реактор 2 через отверстие 7.

На фиг, 1 показано устройство, имеющее приспособление для подачи материала в нижнюю часть камеры сгорания. В некоторых случаях предпочтительнее подавать материал в центральную или верхнюю часть камеры сгорания,Даже тогда, когда патрубки направлены таким образом, чтобы гозо- образные восстановители двигались вверх и сгорали в горячем пламени, оберегая в то же время восстановительный слой стенками камеры.. -

В варианте конструкции изобретения, показанного на фиг. 3, патрубки 16 расположены по кругу в верхней части камеры сгорания. Патрубки направляют материал наклонно вниз, внутрь и по касательной к воображаемым горизонтальным окружностям внутри камеры сгорания. Эти окружности имеют диаметр меньше диаметра камеры сгорания. Материал приводится во вращательное движение, что заставляет расплавленный материал перемещаться по стенкам 18 камеры. Восходящие газы и патрубки могут быть направлены таким образом, чтобы расплав распределялся по стенке в желаемом направлении..

Предварительно восстановленный и по крайней мере частично расплавленный материал, содержащий оксиды металла, стекает по стенкам камеры сгорания в реактор для окончательного восстановления 4, который может представлять собой, например, конвертер. В реакторе полностью восстановленный металл образует ванну расплава в нижней части конвертера и слой шлака на расплавленном металле.

Патрубки 24 размещены в стенке реактора непосредственно над слоем шлака для инжектирования кислорода или газа, содержащего кислород, для сжигания образующегося газообразного восстановителя. Патрубки направлены по касательной к воображаемой горизонтальной окружности диаметром менее половины реактора, благодаря чему смесь газов внутри конвертера приводится в циклонное движение. Газ, содержащий кислород, будет обтекать повёр- хность слоя шлака 25 и сжигать газообразный восстановитель сразу же после их образования на слое шлака, передавая таким образом теплоту слою шлака в ванне.

Окончательное восстановление предварительно восстановленного стекающего вниз расплавленного материала происходит в основном в шлаке в слое 26 между шлаком и. расплавом 27 с образованием газообразного восстановителя.

Предпочтительно использовать газ, содержащий 17 - 100% кислорода. Хорошее перемешивание ванйыпрм помощи, например, инертного газа способствует лучшей передаче теплоты от горючих газов ванне. Газы, образовавшиеся на к.бнечномзтапе восстановления, поднимаются непосредственно в камеру сгорания, проходя над стекающим в.низ предварительно, восстановленным материалом. В некоторых случаях может быть выгодным подавать газы в камеру сгорания сбоку. Это может быть . осуществлено таким образом, чтобы сгорание в камере сгорания, в основнр.м, имело место в зоне окисления камеры сгорания, причём зона восстановления тОжесохрёня1- ется в .камере сгорания.:

Окончательный восстановитель например, каменный уголь или кокс могут загружаться в конвертер через отверстие 28 в расплаве металла или через отверстие в слой шлака или над слоем шлака. Кислород подается через отверстие 29.

Топливо и газ, содержащий кислород, могут быть инжектированы в слой шлака или расплав для выполнения энергетических требований для окончательного восстановления нерасплавленных оксидов металла в конвертере 20-60% образующихся газообразных восстановителей могут быть сожжены над слоем шлака в конвертере. Если дополнительная энергия подается в расплав электродами, то только 4 - 20% образовавшихся газов могут сгорать над слоем шлака. Высокая температура может оказывать вредное влияние на электроды.

Для воспламенения газов, образующихся над слоем шлака, может использоваться нагреваемый плазмой кислород или регенеративно или рекуперативно нагреваемый кислород и/мли воздух. Теплота может быть

передана к расплаву сама по себе при помощи яркой дуги в нагреваемом плазмой газе. Часть образующихся газов может быть отобрана с этапа конечного восстановления

для рекуперативного или регенеративного предварительного нагрева.

, На фиг. 4 приведено устройство для несколько другого варианта конструкции, предлагаемой данным изобретением. В

этом случае камера сгорания 1 имеет суживающийся нижний конец 30, к которому подсоединен входной трубопровод 11 для предварительного нагретого материала, содержащего окриды металла. Целью в этом

случае является как расплавление, так и предварительное восстановление предварительно нагретого материала горячими газообразнымивосстановителями, образующимисяi конечном этапе восстановления, в основном, без сжигания; горячих газов или любог.о добавления восстановителя, В кймерё сгорания должен быть обеспечен очень хороший контакт между предварительно,нагретым материалом и.горячим газообразным восстановителем, поступающим из фазы окончательного восстановления 4. В варианте конструкции, показанном на рисунке, нижняя часть камеры сгораний является конусообразной для

обеспечения действенного смешения. Температура в нижней части может возрастать

до 1QO -: Т700°С, благодаря чему быстро завершаются расплавление и восстановле. ние. . В соответствии с настоящим способом, реёкцйй могут быть осуществлены практически без газов, поддерживающих горение, благодаря чему большая часть восстановленных газов, образующихся на стадии

окончательного восстановления, может

быть сожжена в конвертере в связи с их

образованием,,чем это было в случае, когда

газообразные восстановители были нужны

для процесса горения внутри камеры сгорания. Сжигание газов в конвертере экономь чески более выгодно, чем сжигание в камере сгорания, . .

Вращательное движение материала камере сгорания, которое необходимо для

того, чтобы расплавленный материал перемещался по стенкам и не направлялся в реактор для восстановления в кипящем слое 2, вызывается поступлением отходящих газов по трубопроводу 31 из реактора для

восстановления в кипящем слое в камеру сгорания. Отходящие газы отводятся из сепаратора частиц 3 частично от процесса через теплообменник 32 и частично - из верхней части камеры сгорания по трубопроводу 31, образуя вихрь в материале в камере сгорания.

Вращательное движение может быть также получено другими методами, например подачей газа из газогенератора, находящегося рядом с камерой сгорания. Данный газ может сжигаться в камере сгорания, увеличивая таким образом содержание теплоты внутри камеры сгорания.

Формула из обретения

1. Способ восстановления оксидсодер- жащего материала, включающий его предварительный нагрев в реакторе кипящего слоя, предварительное восстановление и окончательное восстановление в плавильном газификаторе.с одновременным получением восстановительного газа путем подачи в расплав угля и кислородсодержащего газа, использование полученного восстановительного газа на стадии предварительного восстановления, улавливание, возврат в реактор кипящего слоя пылевидных оксидных материалов, выпуск жидкого металла и шлака, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью снижения энергозатрат и повышения эффективности, стадию предварительного восстановления осуществляют в камере сгорания с частичным оплавлением нагретого оксидеодержащего материала путем тангенциального ввода в камеру сгорания оксидсодержащего материала, углеродсодержащего и.кислородсодержащего газов, причем горячие газы, отходящие от камеры сгорания, подают в нижнюю часть реактора кипящего слоя, а уловленные .пылевидные оксидсодержащие материалы частично подают в камеру сгорания.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа, подаваемого в камеру сгорания, используют воздух.

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа, подаваемого в камеру сгорания, используют газообразный кислород.

4. Способ по п. I, отличающийся тем, что предварительно нагретый оксидсо- держащий материал загружают в нижнюю часть камеры сгорания рядом с вводом восстановительного газа со стадии окончательного восстановления.

5. Способ поп. 1,отличающийся тем, что газы, выходящие из реактора кипящего слоя, подают в камеру сгорания.

6. Способ поп. 1,отличающийся тем, что углеродсодержащий материал подвергают газификации до ввода в камеру сгорания,

7. Способ по п. 1,отличэющ и и с я тем, что нагретый оксидсодержащий материал в реакторе кипящего слоя осуществляют предпочтительно при 600 - 950°С.

8. Способ по п. 1,отличающийся

тем, что предварительное восстановление с частичным оплавлением в камере сгорания осуществляют предпочтительно при 1400 1800°С.

.9. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я

.тем, что газы, образующиеся на этапе окончательного восстановленияйчастично дожигают кислородсодержащим газом, подаваемым над поверхностью шлака. 10. Устройство для восстановления оксидсодержащего материала, содержащее реактор кипящего слоя для предварительного нагрева, соединенный трубопроводами с камерой предварительного восстановления материала, имеющей узлы

ввода предварительного нагретого матери- ала, плавильный газификатор со средствами выпуска расплавленного металла и шлака, подачи угля и кислородсодержащего газа в его нижнюю часть и соединенный

средствами ввода получаемого восстановительного газа с камерой предварительного восстановления, циклонный сепаратор для отделения от отходящего газа пылевидной фракции материала, соединенный с верхней

и нижней частями реактора кипящего слоя, отличающееся тем, что, с целью снижения энергозатрат и повышения эффективности процесса, камера предварительного восстановления расположена

непосредственно на плавильном газификаторе и снабжена средствами тангенциальногоподвода углерод- и кислородсодержащего газов, при этом узел ввода предварительно нагретого материала

выполнен в виде тангенциального расположенных трубопроводов, а циклонный сепаратор дополнительно соединен с камерой предварительного восстановления, нижняя разгрузочная часть которого непосредственно соединена со средствами ввода восстановительного газа. Приоритет по пунктам: 30.03.88 по пп. 1, 2, 3, 4, 7, 8, 10; 22.06.88 по пп. 5, 6, 9.

24

26iw-:-:-: --2425

27

X19

у T.

ft

28 29

Ф/2/

.