Способ восстановления железосодержащего материала

 

1. СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА в мелкодй сперсном состоянии, включающий стадии предварительного нагрева, предварительного и окоМнательногр восстановления газом, отходящим из HnatHt каждой предыдущей стадии, о т л ичгю|Дийся тем, что, р цельюповышения скорости восстановления, . стадию окончательного восстановления осуществляют твердым биотопливом, подаваемым совместно с ж€$лезосодержащим материалом. . 2.Способ по п, 1, отличающийся тем, что, стадию окончательного восстановления осуществляют с железосодержащим материалом , измельченным в муаровой мельнице до размера частиц менее 0,П1 мм, при 00-600°С. 3.Способ по п. 1, или п. 2, о т .личающийся тем, что, по ней мере, стадию окончательного вос (Л становления проводят под давлением. ЛепезоеоВиялошии Homfpuoa totauf к со uomonnuto lomotti& V Фиг Г

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК зср) С 21 В 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ плит фила. C: (21) 3266145/22 02 (РСТ/SE80/00058} (22) 31 . 03..31 (29. 02..801, (31) 7901867- 7 (32) 01.03.79 (33) Швеция (46) 15. 04. 83. Бюл. М 14 .. (75) Олле Линдстрем (Швеция) (53).669.183. «421(088.8) (56) 1.. Патент. Швеции 11 395017 кл. С -22 В 5/10 1977. 2,,Патент, США и 3551138 л, С 21 В 13/0а 1968. (54) (57},. СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА в мелкодисперсном состоянии, включающий стадии предваоительного нагрева, предварительного и окоНчательного восстановления газом, отходящим из

„„SU„„1012797 А

"каждой предыдущей стадии, о т-л ич а ю шийся тем, что, с целью. повышения скорости восстановления, стадию окончательного восстановления осуществляют твердым биотопливом, подаваемым совместно с железосодержащим материалом.

2. Способ по п, 1, о т л ич а ю шийся тем, что, стадию окончательного восстановления осу" ществляют с железосодержащим материалом, измельченннм в шаровой мельнице до размера частиц менее

0,01 мм, при 400-600 С.

3. Способ по и. 1. или и. 2, о тл и ч а ю шийся тем, что, по краф.д ней мере, стадию окончательного восстановления проводят под давлением.

101279?

Изобретение относится к- способу восстановления мелкодисперсного железосодержащего материала для. получения сырого железа или металлизированной железной руды.

В настоящее время предпринимаются многочисленные попытки разработать способы получения сырого железа посредством восстановления железосодержащего материала, например окислов железа. Сырое железо может далее конвертироваться в процессе восстановления или оставаться в качестве исход ного материала для дальнейшей перера" ботки в производстве стали.

- Восстановление протекает при температуре ниже температуры плавления железа, а железосодержащий материал, и восстанавливающее вещество находятся в мелкодисперсном состоянии. Испол зуемое восстанавливающее вещество представляет собой ископаемое топли во, например антрацит, голь, лигнит, нефть или естественный гаэ, Эти топлива "коксуится в различной степени в твердый углеродсодержащий материал, который присутствует в начальной смеси наряду с желеэосодержащим материи алом, Процессы восстановления, как правило, осуществляются в несколько ста дий и.в различных установках, например. во вращающихся печах или в печах, с псевдоожиженным слоем, и требуют использования высокореакционных вос становителей и больших температур $ 1) Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигае мому результату является способ, включающий стадии предварительного нагрева, предварительного и окончательного восстановления газом, отходящим из предыдущей стадии восстановления $2).

Скорость процесса восстановления, особенно окончательного восстановления до металлического железа, зависит от размера частиц железосодержащего материала, а также от реакционной способности восстанавливающего вещества. Наиболее предпочтительные ископаемые топлива, например угольная пыль, требуют сравнительно высоких;температур для достижения достаточно 6ыстрых реакций пиролиза и газификации, в результате которых образуются восстанавливающие реагирующие с желеэосодержащим материалом.

Цель изобретения - повышение скорости восстановления, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу восстановления

5 железосодержащего материала в мелкодисперсном состоянии, включающему стадии предварительного нагрева, предварительного и окончательного восста" новления газом,отходящим из предыду1О щей стадии восстановления, стадию окончательного восстановления осуществляют твердым биотопливом, подаваемым совместно с железосодержащим материалом.

Стадию окончательного восстановления осуществляют с железосодержащим материалом, измельченным в шаро" вой мельнице до размера частиц, ме-. нее 0,01 мм, при 400-600 С; по крайь20 ней мере, стадию окончательного восстановления проводят под давлеНием.

В качестве биотоплива могут быть использованы растительная биомасса, получаемая в качестве сырого матери25 ала с плантаций, например, быстро.растущей ивы или тополя, отходы производства бумаги и пульпы (древесина и кора). или солома, бурые водоросли, торф и т.п.

30 На фиг 1 представлена схема осуществления способа, на фиг. 2 и 3графики, демонстрирующие свойства биотаплив, используемых при осуществлении предложенного способа, на

35 фиг. 4 - устройство для осуществления способа.

Процесс восстановления железосодержащего материала, например концен.

:трата железной руды, включает нес4р колько стадий: стадию предварительного нагрева, стадии предваритель ного восстановления и окончательную стадию восстановления, причем эти стадии могут сопрдвождатвся оконча.45 тельной обработкой, каждая из стадий может включать несколько промежуточных стадий.

На окончательную стадию восстановления добавляется биотопливо,в

5 .результате чего железосодержащйй материал восстанавливается двухввлентное железо(восстанавливается до металлического) .

В результате пиролиза образуются

55 весьма реактивные восстанавливающие газы и высокореактивный оста. ток,пиролиза (превращенное в уголь вещество). Остаток пиролиза ча сто составляет значительно меньБиотопливо

Солома

46;2

47,2

Кора

49,8

52,4

Тополь .

Торф Вон

79 7 11 4 5,2 1,5 0,2

Уголь

3 101 шую часть от добавляемой загрузки топлива во время быстрого пиролиза, протекающего при 300-400 С, по сравнению с остатком при использо-, вании известных ископаемых топлив (ископаемые топлива имеют эначительно более высокую термическую стабильность, чем биотоплива).

Благодаря более реакционноспособ" ному восстанавливающему газу процесс восстановления может осуществляться при более низкой температуре при такой скорости, что так называемая про. блема плакирования устраняется. Ос.тавшееся превращенное в уголь вещество особенно эффективно для ингибирования образования покрытия.

Когда окончательное восстановление проводится при температуре r 600800 С или ниже желательно, рециркулировать часть газа от окончательной стадии восстановления (см. Фиг.1).

Основную часть (а иногда и все) требующегося тепла для предварительного восстановления и окончательного восстановления получают при сильном предварительном нагрева железосодержащего материала в предварительных стадиях, что преимущественно осуществляется посредством сжигания остающегося воостанавливающего газа со стадии- предварительного восстановления. Реакции пиролиза и газификации также требуют энергии, причем эти потребности могут быть удовлетворены подобным. образом. Основное преимущество прЪ использовании биотоплива состоит в том, что потребность в такой энергии черезвычайно мала (при использовании биомассы термохимический процесс может быть экзотермическим), Часто бывает желательным использовать как можно больше энергии, со.держащейся в.восстанавливающем веществе в форме химической энергии, 2797 4 посредством уравновешивания различных процессов с прямым и косвенным теплоо6меном.

Окончательная обработка (см. фиг. 1! может содержать, например, инактивацию весьма реакционноспособного пирофорного продукта сырого железа, получаемого во время низкотем пературного восстановления мелкодис10 персного концентрата железной руды, и плавление в электрической печи для последующей очистки.

В таблице приведен сравнительный: химический состав биотоплив и иско З паемого топлива (угля).

Растительная биомасса имеет высокое содержание кислорода, что объяс. няет-. его высокую реакционную способ ность.при низких температурах по рр сравнению с ископаемыми топливами, Торф представляет собой постоянно растущую массу, очень близок к био" массе по своему химическому строению и термодинамическим свойствам и вслед2S ствие этого в большей степени относится к биотопливу, чем к ископаемому топливу, и поэтому может быть использован при осуществлении предложенного способа.. щ Также возможно смешивать различные виды биотоплив, например торф и древесину.

Природная биомасса имеет высокое содержание воды, которое должно быть

35 максимально уменьшено -(примерно до

303 по весу), перед использованием биомассы в качестве биотоплива.

Осушка может быть легко осущест влена с помощью щелочных сушилок или другими способами за счет использования избытка тепла от процесса создания «угуна, Пар, образованный во вре" мя процессов восстановления, может быть использован для частичной га- зификации превращенного в уголь ве4S щества, полученного при пиролизе.

420 60 26 014

39,3 5,6 0,4 0,07

44,4 5,9 0,6 0,04

361 53 10 01

5 1012

ГраФики (фиг. 2 и 3) демонстриру- ют различный химизм процесса с применением биотоплива по сравнению с использованием твердого ископаейого топлива. 5 . На фиг. 2 - график, поясняющий результаты эксперимента для сравнения природы определенных восстанавливающих веществ, когда они подвергаются пиролизу со вспышкой, а именно при IO подъеме температуры со скоростью, 504 С в минуту в а -мосфере аргона, там же указан процент оставшегося восстанавливающего вещества (вычисленного на 6ase свободной влаги и свобод43 ной some) в зависимости от температуры пиролиза. Как видна иэ графика фиг. 2, биотопливо (торф, кора, тополь и солома) показывают большие потери веса при значительно более,. 20 низкой температуре по сравнению с углем, На Фиг. 3 - график, поясняющий результаты эксперимента по сравнению скоростей газификации определен 25 ных йревращенных в уголь веществ, когда они подвергаются увеличивающейся температуре газификации в ат" моофере аргон - водяной пар, содержащей 73 об. 3 водяного пара ..Как зо видно из этого графика, превращенное в уголь вещество из биотоплива (топольу газифицируется при более высокой скорости и при меньшей температуре, чем уголь, 1(елезосодержащий материал может включать мелкодисперсную железосодержащую руду, например сидерит (РеСО ), магнетит (Fe>9 ) и гематит (Fe<0 ). Сидерит содержит железо в двухвалентном состоянии, поэтому стадия предварительного восстанов.ления, заменяется стадией ;кальци» нирования для удаления двуокиси углерода, В качестве железосодержащего материала могут быть использованы также Фиолетовая руда или другие: мелкодисперсные продукты, содержа- . щие .окиси железа, такие как пыль и штыб из доменных печей, стальных производств и прокатных станов.

В последующих процессах очистки могут использоваться различные до-. бавки, например окиси или карбонаты щелочноэемельных металлов, которые также используются для предотвраще" ния плакирования во время окончатель ной стадии восстановления, 797 6

Размер частиц железосодержащего материала должен быть меньше 5 мм, когда способ осуществляется я одном или более обычных псевдоожиженных слоев, и должен быть меньше л 0,5 мм, когда осуществляется в так называемых быстрых или циркулирующих псевдоожиженных слоях. Частицы биотоплива должны быть больше частиц железосодержащего материала в 2-3 раза

Э т,е. эти частицы имеют размер от

0.,5 мм до нескольких сантиметров.

Таким образом, возможно использовать древесные щепки в обычных псевдоожи-. женных слоях,,в то время как в циркулирующих слоях или для восстановления сильно размельченного железосодержащего материала, например концентрата железной руды, подвергнутого шаровому помолу, необходимо ис" пользовать мелкоразмолотый древесный порошок с размером частиц . 1 мм.

°

Быстрые процессы восстановления, коI

1торые характерны для изобретения, промотируются, если железосодержащий материал, а также биотопливо присутствуют в мелкоразмолотом состоянии.

Промышленно доступный концентрат железной руды, например концентрат ,железной руды из рудников в Кринуа и

Иалмбергета (Швеция), особенно пригоден для осуществления предложенного способа без специальной предварительной подготовки. Возможно осуществлять окончательную стадию восстановления при очень низкой температуре в диапазоне 400-600 С эа счет дальнейшего .шарового помола концентрата железной руды до размера частиц

0,01 мм или меньше, так что окончательное восстановление проводится пря мо до металлического железа без промежуточного перехода в двухвалентное состояние, Возможность осуществления окончательного восстановления при такой низкой температуре определяется только термодинамическими свойствами этих топлив.

Сильно размельченный порошок сьфого железа может в определенных случаях прямо использоваться для металлургических процессов, таких как получение электродов из пористого железа для аккумуляторов различного типа.

Прямое использование сырого железа возможно только в том случае, если оно имеет такой химический состав относительно других металлов и эле797 8 варительного нагрева 1000" 1?00 С, а затем- температура уменьшается до о

w 800 С, и я это время начинается. стадия окончательного восстановления в этом реакторе посредством: загрузки биотоплива, что приводит в результате к дальнейнеиу меньшениа тем" пературы до О00 С.

Соответствующие условия дпя псевдоожижения поддерживаются посредством рециркулирования восстанавлива" ющего газа и регулирования загрузки биотоплива. Дополнительное тепло для регулирования температуры обеспечива- ется подачей воздуха и/или кислорода ° Двуокись углерода и воду удаляют известным способом перед рециркулированием восстанавливающего газа.

Большим преимуществом является проведение процесса с более чем тремя реакторами и в более чем три стадии процесса °

Использование, например, трех реакторов, соединенных в серию на стадию предварительного нагрева, делает возможным проведение процесса в трех различных температурных диапазонах в трех реакторах, причем последний реактор серии нагревается газом, выходящим из предшествующего реактора, который сам, в свою очередь, нагревается выходящим газом из начального реактора серии. Таким образом, возможно уменьшить температуру выходящего газа, покидающего систему, до сред. него уровня (200 С1.

Кроме того, предложенный способ может быть осуществлен в двух псевдоожиженных слоях, соединенных в серию непрерывно.

В этом случае один псевдоожиженный

7 - !012 ментов, например, серы, который мо-: жет быть либо допущен в окончательном продукте, либо. может быть скорректи= рован посредством выбора соответству,.ющих условий реакций.

Превращенное в уголь вещество, сопровождающее порошок сырого железа, может либо быть отделено с помощью магнитных сепараторов, которые отделяют железо, или может быть остав- 10 лено в продукте для различных назначений, например для использования материала в качестве прокладки при производстве спеченных изделий иэ пористого железа. 1$

Простой реактор для осуществления предложенного способа имеет единственный классический псевдоожиженный слой, в котором восстановление осуществляется периодическим способом. 2Ф

Реактор включает сосуд -1 с газо-. распределительной плитой 7 в его нижней части, газоподаищую трубу 3, вы:пускную трубу 4 для газа, подающие средства 5 для биотоплива и загрузоч- 2$ ные средства Ь и выгруэочные средства

;7 для железосодержащего материала.

-Псевдоожиженный слой R псевдоожижается посредством газа, подаваемого через .трубу 3 и/или.газа, который 3в возникает из биотоплива во время окончательного восстановления. Действие псевдоожиженного слоя зависит от большого числа дополнительных устройств, таких как клапаны, связывающие трубы 3$ сепараторы пыли, индикаторы регулиро-, ванйя процесса, теплоооменники, средства загрузки для топлива,, средства для добавления воздуха и/или кислорода (не показаны.).

На первой стадии осуществления способа производится загрузка зелезосодержащего порошка в реактор нагреваемый до 1000-1700"С горячими газами, которые возникают при сжигании восстанавливающего газа, выводимого из второго подобного реактора, где предварительна нагретый железосодержащий порошок подвергается стадии предварительного восста" новления. Этот второй реактор, a caoe очередь,. получает свой восстанавливающий газ из третьего подобного реактора, в котором предварительно вос становленный железосодержащий порошок подвергается стадии окончательного восстановления. Предваритель" ное восстановление во втором реак" торе начинается при температуре предслой выполняет еункцию предварителЯного нагрева и действует постоянно при

1100-1700 С эа счет сжигания выходящего газа. Предварительно нагретый ма1 териал, содержащий окись железа, непрерывно покидает предварительно нагретый слой, в котором одновременно происходит предварительное и окончательйое восстановление.

Восстанавливающий слой действует о при 700 С, Биотопливо подается не-. посредственно в слой вместе с рециркулирующим газом и, возможно, возду хом и/или кислородом, Выгруженный восстановленный материал может направляться непосредственно для очистки или прессования изделий из сырого желева. Энергия горячего газа

9 1012797 10 выходящего из предварительно нагре-, перименты, процесс может д ться при того слоя, может использоваться из- мерно 1 ч .или меньше при 800 С ля вестным способом в бойлере для полу. окончательного восстановления. Сжичения электрической энергии, пара ганне биотоплива зависит от схемы и горячей воды. процесса. Проведение процесса с одремя реакции может быть значи" ним псевдоожиженным слоем при 300 С тельно уменьшено, если стадии пред" с одновременной подачей тепла (за счет. варительного и окончательного вос- частичного окисления ) требует для стастановления осучествляются под дав- дии предварительного и окоНчательнолением, например 0,5 - 2ИРА. Прин- 30 го восстановления 2 т биотоплива на цип периодического реактора особен- 1 т продукта (восстановление 903). но пригоден для, восстановления под Большая часть энергии битоплива, подавлением. Прессование также обес- даваемого таким образом, заключена печивает более быструю загрузку био-: в выходящем газе, который покидает топлива. Скорость загрузки часто or- ts систему и может быть использован, на,раничена при атмосферном давлении необхо им пример, для получения энергии П не ходимостью ограничить скорость сы, предназначенные для максимальноВ емя газа для оптимального псевдоожижения. го использования энергии битопл оплива . ремя реакции, а также размер в системе, могут требовать:до 0,5 т слоя зависят от большого числа фак-. 2в битоплива на 1 продукта. торов, в частности от размера частиц до давления и темп ературы про- Способ может также осуществляться цесса..Как показали лабораторные экс- в других типах реакторов.

: . Ярзиечфниг:

° ее еа /ИЛ в е еев е I11IIPP на

° ° ý ° å4 ° яюнг М

Тгмнература гтролиэа, С .Фаа,8- --1632797

06 : тополь(трели ео Фемвииной) яюпопь(обичниа @arpent)

° (2Р/7Ь

1012797

Редактор Л.Веселовская Техред Т.фанта е

Корректор. И Шулла ч

Заказ: ? 807/72 Тираж 566 Подписное

ВНИИПИ Государственного момитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Рауаская наб., д. 4/5 еее еее» ее ее е ее « филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4