Способ восстановления металлической руды

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (») 3003863 (6I ) Дополнительный к патенту

3 (5I ) M. Кл.

С 21 В 13/02 (22) 3ая ален о 16. 1 1,78 (21) 2687 102/22-02 (23) Приоритет - (32) 17.11.77

Государственный комитет

СССР (3! ) 852535 (33) США

Опубликовано 28.02.83. Бюллетень J% 8

Дата опубликования описания 28.02.83 но делам нзобрегеннй н открытий (53) УДК669.

421(088 8) Иност

Хуан Федерико Прайс-Фалькон, Э

Джильберто Гуерра-Гарс и ПатРик Вилт.Ям Макке (72) Авторы изобретения

Иностранная фирм

"Ильса, С.А.". (Мексика) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РУДЫ

Изобретение касается газового восстановления состоящих из частиц металлических руд до губчатого железа в вертикальном реакторе с движущимся .слоем относится к способу получения путем прямого газового восстановления с желательной степенью науглероживания и может быть использовано для обработки руд, помимо железной.

Известно получение губчатого желе=а в вертикальном шахтном реаторе с подвижньтм слоем, обычно состоящее из двух основных операций: восстановление руды в восстановительной зоне с помощью восстановительного газа, состоящего в основ- г5 ном из угарного газа и водорода с температурой порядка 700-1000 С, предпочтительно 750-950 С; охлаждение полученного губчатого железа газовой охлаждающей с .едой до температуры порядка ро

100-200 С, предпочтительно ниже

100 Г |i j.

Углерод откладывается на металлнесущих частицах и в реакционной и в охлаждающей зонах, и при надлежащих условиях отложившийся углерод может вводиться в реакцию с образованием карбида железа Ф

Использование для загрузки электродуговой сталеплавильной печи губчатого железа, содержащего карбид железа, обеспечивает ряд преимуществ во-первых, такое губчатое железо имеет пониженную точку плавления, что облегчает плавление его в процессе изготовления стали. Во-вто рых, углерод в виде карбида железа значительно более активен, чем масса добавляемого углерода, так как является значительно более эффективным восстановительным агентом для остато ного кислорода губчатого железа, находящегося в электропечи.

Кроме того, на реакцию карбида железа с остаточной содержащейся в губчатом железе двухвалентной окисью железа требуется меньше тепла, чем на реакцию элементарного углерода с двухвалентной окисью железа.

Наиболее близким по технической сущ ности и достигаемому, результату к пред10016 М лагаемому является способ восстановления дисперсной металлической руды, включающий восстановление дисперсной руды до губчатого железа в шахтной печи, включающий противоток горячего восстановительного газа из окиси углерода и водорода с рудой в верхней части шахтной печи, охлаждение губчатого железа в нижней части печи, рециркулирование колошникового газа, его охлаждение и to обезвоживание Р 2), Губчатое железо, полученное по этому способу, обычно используется в качестве источника железа для производства стали в электрической дуговой печи. Такое губ- 1 чатое железо обычно содержит некоторую долю окиси железа, например 10-20вес. Ь, поскольку экономически нецелесообразно добиваться 100 / ной металлизации руды в реакторе газового восстановления. По мере приближения металлизации железосодержащего материала к 100 процесс становится трудным, отнимающим много времени и расходующим избыточные количества восстановительного газа для уда- д ления остаточного кислорода из материала. Восстановление остаточной двухвалентной окиси железа карбидом железа при Ф водит к образованию угарного газа, пузырьки которого проходят через расплав, обеспечивая желательное размещение ванны. Газ обеспечивает образование лег. кого пенистого шлака, обволакивающего электроды и уменьшающий задиационные потери тепла к кровле и стенкам печи.

Пенистый шлак создает дополнительное преимущество, когда используется непрерывная загрузка печи губчатым железом.

Предварительно нагретые во время падения через шлак гуинулы губчатого желе46 за входят в реакцию еше до того, как они достигнут расплавленной ванны.

Все это может быть достигнуто без повышения термической нагрузки электропечи.

° При эксплуатации установка газового

Щ восстановления для производства губчатого железа с меньшей, чем максимально возможная, степенью металлизации и науглероживанием его до уровня, обеспечивающего завершение восстановления в электрической печи и эффективное использование высокотемпературной восстановительной способности печи, обещает экономические преимущества.

Основным недостатком способа являет >> ся невозможность регулировать степень карбторизации, так как избьггочное наугле, роживание нарушает стабилизацию электрической дутн сталеплавильной .. .н, тем самым повышая интенсивность изцоса- огнеупорной футеровки лечи. Возникает необходимость удлинения периода рафинирования, чтобы обеспечить удаление избыточного углерода. Во многих случаях желательный уровень содержания углерода в губчатом железе составляет 1-3 вес.%.

Содержание углерода в губчатом железе должно поддерживаться в узких границах.

Науглероживание в восстановительной зоне не легко отрегулировать с требующе ся степенью точности, так как домини-рующим требованием; к восстановитель ной зоне является такое регулирование условя. работы, которое способно обеспечить желательный оптимальный уровень восстановления. Оптимальные условия восстановления обычно не совпадают с оптимальными условиями науглероживания.

В некоторой степени та же проблема возникает и в охлаждающей зоне в том случае, если в ней происходит одновременно и охлаждение и науглероживание.

При попытке обеспечения точного регулирования науглероживания в системе восстановления возникает проблема,. обусловленная тем, что возникающая в зоне восстановления степень науглероживания может быть настолько большой, что губчатое железо, поступающее; =:: .;,êл-.:ждения, уже может содержать больле углерода, чем требуется.

Известно, что реакции науглероживания благоприятно протекают при 500-700 С, в силу чего процесс науглероживания стремится произойти в центре восстановительной зоны.

Интенсивность науглероживания в восстановительной зоне в значительной степени зависит не только от температуры, но также от концентрации угарного газа в восстановительном газе. Хотя угарный газ в зоне восстановления потребляется, тем не менее восстановительная зона часто является четко выраженно генератором угарного газа. Это обусловлено конверсией двуокиси углерода в нижней части зоны восстановления в мсноокись углерода.

Такая реакция имеет место предпочтительно в нижней части восстановигельной зоны по двум причинам: вследствие относительно высокой температуры в этой точке и вследствие также кат.-:1п;тического воздействия, оказываемого гу Г»чатым железом на реакнию. Эта реакция форсирует отложение углерода и в разули

1001ййй тате уменьшения концентрации двуокиси углерода в газе и в результате повышения содержания в нем моноокиси углерода.

Цель изобретения — регулирование необходимой степени карбидизации.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу восстановления металлической руды до губчатого железа в шахтной печи, включающему проти- 10 воток горячего восстановительного газа иэ.окиси углерода и водорода с дисперсной рудой в верхней части шахтной печи, охлаждение губчатого железа в нижней части печи, рециркуляцию колошникового И газа, его охлаждение и обезвоживание, к горячему восстановительному газу после ввода в реактор добавляют пар в количестве 1-20 об.%.

Часть пара в количестве 1-15% до- 20 бавляют в верхнюю часть эоны восстановления реактора со свежим восстановительным газом.

В качестве металлической руды используют железную руду. 25

При осуществлении предлагаемого способа в результате уменьшения содержания моноокиси углерода в находящемся в восстановительной зоне газа происходит косвннное уменьшение образования 5й элементарного углерода и карбида железа в восстановительной зоне реактора. Содержание водяных паров в газе регулируется с таким расчетом, чтобы сместить ход реакции, т.е, форсировать хорошо5 известную реакцию сдвига равновесно .СО+И,. СО +Н О

Правильное регулирование содержания водяных паров в восстановительном газе может существенно уменьшить образование углерода в восстановительной зоне, поскольку присутствующая в потоке газа моноокись углерода вступает в реакцию, обеспечивая образование углекислоты, а не по реалии. Прдцей к по у ен 45 элементарного углерода. Содержание. углерода в губчатом железе, можно таким образом уменьшить ниже того минимума, который требуется в продукте - губчатом железе. Это создает возможность эффективного регулирования и контролирования содержания углерода в губчатом железе в зоне охлаждения без необходимости существенного вмешательства в условия оптимизации процесса восстановления в

SS зоне восстановления.

Внешняя часть восстановительного контура обычно содержит, кроме охладителя газа, циркуляционный насос и нагреватель для повторного подогрева восстановительного газа, через который последовательно проходит вытекающий из реактора газ. Водяные пары могут вводиться в циркулирующий газ, например, непосредственно перед впуском газа в реактор.

Его можно также вводить непосредственно в реактор близ верха восстановительной зоны. Водяные пары или пар могут вводиться в обогашаемый поток восстановительного газа, направляемого в контур восстановительного газа. Отдельные порции водяного пара могут вводиться в две или более точки системьк Вместе с тем, в случае относительно высокого содержай ния водяного пара в вытекающем восстановительном газе его содержание, можно понизить путем регулирования подводимого к охладителю газа потока охлаждающей воды.

Добавление пара в восстановительный гаэ неизбежно приводит к раэбавлению восстановительных компонентов газа. При добавлении в зону восстановления пара отношение Н . (Ид.+ Ag О ) существенно снижается и, соответственно, падает восстановительный потенциал газа -в некией части восстановительной зоны, т.е. в той точке системы, где происходит последняя и самая ответственная часть восстановления и где важно располагать высококачественным газом.

Введение пара близ верха эоны восстановления, там, где происходит начальное ю

1 и относительно легковозникаюшее восстановление руды, создает, однако, в резуль« тате разбавления восстановительного газа паром лишь относительно небольшое воздействие на суммарный эффект восстановления. Требуемая реакция смещения водяного газа (вышеприведенное уравнение), возникающего в результате добавки пара в восстановительный газ, носит экзотермический характер и, следовательно, способствует нагреву поступающей свежей руды.

Кроме того, находящаяся вверху слоя окись железа является хорошим катализатором реакции смешения водяного газа и форсирует протекание этой реакции.

Добавление пара в газ, вводимый в восстановительную зону, связано с некоторыми недостатками, однако, в некоторых случаях оно является выгодным, в частности, когда направляемый в восстановительную зону газ содержит значительное количество метана, например в том случае, когда направляемый на пополнение восстановительного газа гаэ представляет собой газ риформинга, обогащенный мета7 1001 ном или природным газом или когда для пополнения используется газ коксовых батарей. В этом случае пар вступает в реакцию с метаном и образуются дополнительные. количества восстановительных компонентов: моноокиси углерода и водоPoP9 „

В некоторых случаях оказалось целесообразным прибегнуть к компромиссной процедуре, т.е. добавлять небольшую до- 10 лю пара в поступающий в реактор восстановительный газ и большую часть пара в верхнюю часть 1.удного тела, находящегося в зоне восстановления реактора 15

На фиг. 1 изображен схематически вертикальный шахтный реактор с подвижным слоем; на фиг. 2 - аналогичная система, предназначенная для осуществления модификации метода по изобретению, lo

Вертикальный шахтный реактор 1 с находящейся в его верхней части зоной восстановления имеет также в нижней части зону 2 охлаждения. Реактор 1 имеет надлежащую теплоизоляцию и изнутри 25 футерован огнеупорным материалом. Подлежащая переработке состоящая из частиц руда загружается в реактор 1 по загрузочному трубопроводу 3. Загружаемая руда может быть кусковой или состо-, Зо ять из предварительно образованных гранул. Руда опускается через восстановительную зону, где восстанавливаетая до губчатого железа продуваемым вверх восстановительным газом, затем проходит через охлаждающую зону 2, в которой охлаждается текущим вверх охлаждающимцгазом, и покидает реактор через выпускное отверстие 4. Средняя часть реактора имеет выступ 5у верхний конец 40 которого образует совместно с кольцевой рубашкой 6 кольцевую камеру 7, в которую по трубе 8 поступает восстановительный газ. Это приспособление служит для распределения восстановительного газа по периферии реактора. Восстановительный газ течет вверх через восстановительную зону 9 и покидает реактор по трубопроводу 10.

Нижняя скошенная часть выступа 5

Я входит в распределительную камеру 11, образуя впускную камеру 12 для охлаждающего газа, в которую по трубопроводу 13 поступает охлаждающий газ. Камера обеспечивает распределение охлаждающего газа по периферии реактора.

Охлаждающий газ течет вверх через зону охлаждения в кольцевую выпускную камеру 14 для охлаждают"го газа, окон863 8 туренную выступом 5 и имеющей форму усеченного конуса перегородкой 15. Камера. 14 предназначена для накопления охлаждающего газа вверху охлаждающей зоны и направления газа в выпускную трубу

16 для охлаждающего газа.

Предназначенный для восстановления руды газ подается из надлежащего источника 17 восстановительного газа. Обычно таким источником является система каталитического риформинга, обеспечивающая риформинг смеси природного газа и пара с целью получения моноокиси углерода и водорода. В другом варианте используется газ коксовых батарей, применяемый в том., виде, в каком он выходит из печей или после риформинга.

Восстановительный газ может быть также получен из газообразных углеводородов, не являющихся природным газом, или из жидких углеводородов или угля.

Восстановительный газ из источника

17 протекает по трубопроводу 18 в контур восстановительного газа, т.е. к регулятору 19 потока, размещенному в трубопроводе 20 и обеспечивающему предопределенный расход потока восста новительного газа, поступающего в реактор 1. Восстановительный газ поступает по трубопроводу 20 в нагреватель 21, где нагревается до 750-950 С и далее по трубе 8 в реактор."

Выходящий из реактора газ течет по трубопроводу 10 в нагружной дхладитель

22 с целью конденсации части содержащейся в газе воды и удаления пыли. Выходя1ций из охладителя 22 газ следует по одной из двух трасс1 В одном случае он течет ло трубе 23, в которую врезан контрольный клапан 24, и через регулятор

25 обратного давления, а потом выдувается в атмосферу или отводится в надлежащее место хранения или используется в качестве топлива. По другой трассе газ из охладителя 22 может рециркулировать ся по трубе 23, через трубопровод 26, циркулянионный насос 27, трубопровод

28 с клапаном 29, назад в трубопровод

20 и восстановительную зону реактора.

Большая часть вытекающего из холодильника газа рециркулируется по трубопроводу 26 насосом 27 контура восстанови4 тельного газа и только незначительная часть газа удаляется из контура по трубе 23 для использования в качестве топлива, складирования или выдувания в атмосферу.

Восстановленная руда охлаждается охлаждающим газом B охлаждающей зоне

9 100 Ы

2 реактора. Охлаждающий газ поступает в систему по.трубе 30, снабженной на- порным клапаном и регулятором 41 расхода потока. Теоретически возможно использование многих охлаждающих газов, включая водород, метан или другие углеводородные газы, моноокись углерода и их смеси, углекислоту или азот, Согласно изобретению, губчатое железо науглероживается в охлаждающей зоне до жела- 10 тельного контролируемого уровня. Для этого охлаждающая зона .должна содержать значительное количество науглероживаюших компонентов. В некоторых случаях желательно иметь используемый для пополнения охлаждающий газ с таким же составом, как и поступающий из источника 32 пополняющий восстановительный газ. С этой целью трубу 17 соединяют с трубой 30 трубопроводом 33, снабженным запорным клапаном 34.

Поступив в контур, охлаждающий газ поступает к гаэодувке 35, нагнетательная сторона которой присоединена к трубопроводу 13, содержащему автоматический регулятор 36 расхода потока. Газ, выходящий из эоны охлаждения по трубе 16, проходит через охладитель 37, где охлаждается и обезвоживается. Затем по трубе 38 он возврашае;ся на вход газодувки 35. Охлаждающий газ может быть выпущен из охлаждающего контура по трубе 39, в которой имеется регулятор

40 потока. В некоторых случаях композиция охлаждающего газа такова, что

35 е1о выгодно направить в контур восстановительного газа. С этой целью труба

39 присоединена к передаточной трубе

41, оборудованной запорным клапаном

42, подключенным к трубопроводу 26.

Таким образом, удаленный из контура охлаждения газ может быть введен в контур восстановительного газа. В случае нежелательности передачи отобран-. ного охлаждающего газа в контур вос45 становительного газа, отработанный газ может быть пропущен через клапан 43 трубы 39 в трубу 23 и,далее выпущен в атмосферу, складирован или использован на топливо.

Согласно изобретению, реакция сдвига вода-газ, обычно возникающая в верхней части восстановительной зоны, форсируется путем ввода в контур с восстановительным газом воды. Обычно пар вводится в систему по подающей трубе 44 и течет по трубопроводу 45, имеющему клапан 46, в приточную камеру 47, из которой вводится через сопла 48 в верх63 0 нюю часть рудного тела, находящегося в восстановительной зоне реактора. Пар может также поступать из трубы 44 по трубопроводу 49, имеющему клапан 50, в трубу 51 и далее через нагреватель

21 в нижнюю часть восстановительной зоны 9. Кроме того, часть пара может быть введена в восстановительный контур через сопла 48, а вторая, незначительная, часть пара может плдаваться в трубопровод 20 через трубопровод 49.

Количество используемого пара зависит от таких факторов, как водосодержание рециркулируемого газа, текущего по трубопроводу 28, температуры подаваемого в реактор газа, скорости пропуска руды.

Количество добавляемого пара составляет 1-20 об. %, количество введенного через трубопровод 49 и контур пара может составлять 1-5 мол.% циркулирующего газа, а количество пара, вводимого по трубопр воду 45 — 3-15 мол.% циркулируемого газа.

В системе, представленной на фиг. 2, в контур восстановительного газа включен обособленный каталитический реактор.

Газ, вьгтекаюший из восстановительной зоны 9, поступает по трубе 10 и через каталитический реактор 52, а потом через трубу 53 течет в охладитель 22, Пар подается в реактор 52 по трубе 54, оборудованной клапаном 55. При такой форме реализации изобретения требуется обособленный агрегат. Зато реакция между паром и восстановительным газом может контролироваться вне зависимости, от протекания реакции в восстановительной зоне реактора.

В таблице приведены данные для ряда примеров использования с .добавлением и без добавки пара. Буквами F — T обозначены потоки, выраженные в стандартных единицах расхода потока, в каждой из пяти указанных точках системы: трубопровод 18; F — трубопровод 20; — трубопровод 1 3; F4 — трубопровод

45; - трубопровод 49.

Приведенные в таблице параметры расхода потока были получены путем произвольной оценки добавляемого газа на тонну руды (пример 1) 100 единицами расхода потока.

Все остальные показатели расхода потока, которые приведены в таблице, отображают расхоа потока на 1 т руды применительно к вышеуказанной исходной оценке.

Сравнение примеров 1 и 2, с одной стороны, и примеров 3-7, с другой стороны, отчетливо показывает, что добавле

11 1001863 12 ние водяных паров в циркулирующий вос- ность эффективного регулирования степени становительный газ существенно умень-, науглероживания в охлаждающей зоне, шает науглероживание в восстановитель- позволяя осуществить в последней более ной зоне и тем самым создает возмож- точное контролирование.

100 369 135 0

68 276 113 0

68 256 113 27

90,4

850

87,6

2,3

850

2,1

70 265

117 14

90,2

850

2,2

65 240 109 10

84,9

850

99 0

105 0

77,9

68 249

67 242

850

92,7

2,2

900

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США ¹ 3765872, ел. С 2 1 В 13/02е 1974.

2. Патент США ¹ 3844766, Кп. С 21 В 13/02, 1974.

Формула изобретения

1. Способ воссстановления металличес. кой руды до губчатого железа в шахтной печи, включающий противоток горячего ЭО восстановительного газа из окиси углерода и водорода с дисперсной рудой в верхней части шахтной печи, охлаждение губчатого железа в нижней части печи, рециркулирование колошникового газа, его охлаждение и обезвоживание, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью достижения необходимой степени карбюризации, к горячему восстановительному газу после ввода в реактор добавляют щ пар в количестве 1-20 об.%»

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что часть пара в количестве 1-15% добавляют в верхнюю часть зоны восстановления реактора со свежим восстановительньм газом.

3. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве металлической руды испсип зуют железную руду.

1001863

1001863

ВНИИПИ Заказ 1466/78 Тираж 566 Подписно

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, yz. Проектная, 4