Способ прямого получения металлов из окислов

 

Использование: изобретение относится к технологии получения стали и железа из рудных материалов. Сущность: способ прямого получения металлов из окислов включает одновременную газификацию пылёугольного топлива и восстановление металла из окислов продуктами газификации и пылеугольным топливом при проведении процесса в вертикальном вихревом реакторе с тангенциальной подачей реагенИзобретение относится к металлургии, в частности к технологии прямого получения металла, в особенности стали и железа в расплаве из окислов, т.е. рудных материалов . Известен способ получения стали из окисленного железа, включающий сжигание угля в кислороде и перегретом паре для получения восстановительного газа, содержащего 65-45% СО, 35-55% На и небольшого количества СОа, введение в зону горения тов через патрубки, расположенные по окружности реактора. Реагенты вводят в среднюю часть реактора на одном уровне в зону зажигания. Пылеугольную пыль в потоке подогретого воздуха, обогащенного кислородом , вводят при соотношении углерод топлива - кислород окислителя в пределах 1:(1,07-1,33), а измельченную железосодержащую руду и флюсы в смеси с угольной пылью в потоке транспортного газа-носителя при соотношении углерод - железо в диапазоне 1:(4,5-4,6) вводят через другой патрубок. Температуру подогрева окислителя и степень его обогащения кислородом устанавливают в пределах, при которых для заданной производительности температура в реакторе поддерживается на 30-50°С выше параметра начала жидкого шлакоудаления, но не ниже 1600°С, а отходящие газы отводят через патрубок в верхней части реактора . Способ предусматривает тангенциальный отвод из реактора продуктов реакций и утилизацию химического и физического тепла отходящих газов. 2 з.п. ф-лы. 3 ил. (Л С ч 00 о о 00 4 потока восходящего газа, содержащего малые частицы окислов железа, подогретых до 500°С (но не выше температуры спекания). Сжигание угля в кислороде и перегретом паре осуществляется при соотношении 1,7- 2,5 моля кислорода и 0,5-2 моля НаО на каждые 4 моля углерода для получения температуры пламени в пределах 1650-2200°С. Недостатком известного способа является его технологическая сложность и низкая экономичность, обусловленная

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 21 В 13/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Л- .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ - -,-.-.;:. .";. „", К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О,00 (2 1) 4889655/02 (22) 11.12,90 (46) 07.01.93. Бюл. N- 1 (75) Е,Г,Шадек, Ю.А.Дронов, И.Я,Толмачев, А,А.Третьяк, В.С.Шведов, М,А.Цейтлин, А,П.Пухов, В.Г.Тихонов, С,С,Мунвез, В.Г.Пузач и И.Г.Товаровский (56) Патент США N 2824793, кл, С 21 В

13/00, 1956.

Патент СССР М 976856, кл. С 21 В 13/12, 1974, Патент США N 3607224, кл, С 21 В

13/02, 1974. (54) СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОКИСЛОВ (57) Использование: изобретение относится к технологии получения стали и железа из рудных материалов, Сущность: способ прямого получения металлов из окислов включает одновременную газификацию пылеугольного топлива и восстановление металла из окислов продуктами газификации и пылеугольным топливом при проведении процесса в вертикальном вихревом реакторе с тангенциальной подачей реагенИзобретение относится к металлургии, в частности к технологии прямого получения металла, в особенности стали и железа в расплаве из окислов, т,е. рудных материалов.

Известен способ получения стали из окисленного железа, включающий сжигание угля в кислороде и перегретом паре для получения восстановительного газа, содержащего 65-45% СО, 35-55% Hz и небольшого количества СО2, введение в зону горения

„, Я /„„1786084 А1 тов через патрубки, расположенные по окружности реактора. Реагенты вводят в среднюю часть реактора на одном уровне в зону зажигания. Пылеугольную пыль в потоке подогретого воздуха, обогащенного кислородом, вводят при соотношении углерод топлива — кислород окислителя в пределах

1:(1,07-1,33), а измельченную железосодержащую руду и флюсы в смеси с угольной пылью в потоке транспортного газа-носителя при соотношении углерод — железо в диапазоне 1:(4,5-4,6) вводят через другой патрубок. Температуру подогрева окислителя и степень его обогащения кислородом устанавливают в пределах, при которых для заданной производительности температура в реакторе поддерживается на 30-50 С выше параметра начала жидкого шлакоудаления, но не ниже 1600 С, а отходящие газы отводят через патрубок в верхней части реактора. Способ предусматривает тангенциальный отвод из реактора продуктов реакций и утилизацию химического и физического тепла отходящих газов, 2 з.п. ф-лы.

3 ил, потока восходящего газа, содержащего маI лые частицы окислов железа, подогретых до

500 С (но не выше температуры спекания).

Сжигание угля в кислороде и перегретом паре осуществляется при соотношении 1,72,5 моля кислорода и 0,5-2 моля НгО на каждые 4 моля углерода для получения температуры пламени в пределах 1650-2200 С.

Недостатком известного-способа является его технологическая сложность и низкая экономичность, обусловленная

1786084 необходимостью проведения процесса в перегретом паре, а также тем, что процесс проводят при больших значениях коэффициента расхода окислителя а, выбранного в пределах 0,5-0,85. Указанные значения а взяты из условий получения температуры пламени в пределах 1650-2200 С, однако не отвечают требованиям к составу восстановительного газа: продукты сгорания содержат большое количество окислителей (до

10 Д и более), Известен способ прямого получения металлического расплава, предусматривающий частичное восстановление железа, происходящее совместно с его расплавлением, осуществляемый путем тангенциальной подачи измельченного железорудного материала, твердого углеродистого восстановителя и кислородсодержащего газа в факел горения, при этом восстановление металла (железа) и роизводится остаточным твердым восстановителем, присутствующим в расплаве.

Недостаток указанного аналога — также низкая интенсивность процесса, которая объясняется тем, что процесс проводят в две стадии в ванне расплава с ее невысокими скоростями потоков, а следовательно, и тепломассообмена.

Ближайшее к изобретению техническое решение — способ прямого получения металлов из окислов в расплаве, включающий одновременные газификацию пылеугольного топлива и восстановление металлосодержащей руды продуктами газификации и пылеугольным топливом в смеси с флюсами путем тангенциальной подачи пылеугольного топлива в потоке окислителя и смеси измельченной железной руды, флюсов и пылеугольного топлива в потоке газа-носителя в вертикальном цилиндрическом вихревом реакторе с последующим удалением продуктов реакций. Газы удаляются через центральный осевой канал из средней части реактора.

Недостаток прототипа тот же, что и у приведенных выше аналогов, а именно: невысокая технико-экономическая эффективность процесса, связанная с проведением процесса в ванне расплава, При этом для интенсификации процесса необходима дополнительная подача окислителя в нижнюю ступень реактора, что и приводит к усложнению и удорожанию технологии. Прототипу присущ и еще один недостаток — низкая стойкость огнеупорной футеровки ванны.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса, 5

15

25 линдрический вихревой реактор, осевой

Указанная цель достигается тем, что подачу пылеугольного топлива в потоке нагретого окислителя, а также смеси металло(железо)содержащей руды, пылеугольного топлива и флюсов в потоке газа-носителя производят на одном уровне в зону зажигания в средней части реактора. Способ, кроме того, отличается тем, что соотношение углерод топлива — кислород окислителя в потоке поддерживают в пределах 1:(1,071,33). Удаление из реактора газообразных продуктов производят тангенциально из верхней части реактора.

Указанная новая совокупность отличительных признаков обеспечивает протекание в вихревом реакторе восстановительной гарниссажной плавки в условиях высокоскоростных закрученных потоков, интенсивного тепло- и массообмена, высоких температур.

На чертежах показан вихревой реактор, в котором может быть реализован предлагаемый способ.

На фиг. 1 изображен вертикальный циразрез; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 — разрез В-B на фиг. 1.

Вихревой реактор — цилиндрический аппарат, состоящий из двух по высоте ступеней 1 и 2 разного диаметра и высоты, образующих собственно рабочую камеру (реакционную зону), и копильника 3 для сбора и удаления через летку 4 расплава металла и шлака. Нижняя ступень 1 является зоной зажигания и расположена в средней части реактора. Она снабжена тангенциальными патрубками для подвода реагентов; патрубком горячего окислительного дутья 5 с установленной в нем у входа в реактор форсункой 6 для вдувания угольной пыли, соплом 7 для подачи смеси шихты (металлорудной руды, флюсов в виде порошка) и угольной пыли в заданной пропорции.

Верхняя ступень 2 снабжена выходным тангенциальным патрубком 8, Стенки 9 реактора с копильником и патрубком выполнены двойными с зазором 10 между ними для прохода охлаждающей среды — воды, пароводяной эмульсии или пара (в случае устройства системы испарительного охлаждения).

Подвод и отвод охладителя не показаны.

Вся огневая поверхность реактора (включая копильник) ошипована и покрыта огнеупорной обмазкой 11 (например, на основе окислов циркония) и при работе находится под слоем гарниссажа, Ступени 1 и 2 разделены диафрагмой 12 — футерованным водоохлаждаемым диском с отверстием 13 для отделения и стока расплава в копильник, 1786084

35

45

55

Предлагаемый способ с помощью устройства, изображенного на фиг.1 — 3, реализуют следующим образом, Через входной дутьевой патрубок 5 под давлением порядка 2-3 ати и более) в зону зажигания (ступень 1) подают подогретый окислитель — воздух либо воздух, обогащенный кислородом. В поток дутья у входа в реактор через форсунку 6 вдувают по системе пневмотранспорта пылеугольное топливо. В случае необходимости пневмотранспорта пылеугольное топливо. В случае необходимости (для получения шлака нужной основности, связывания серы и пр.) в угольную пыль добавляют в процессе ее приготовления (помола) флюсующие добавки— известь, доломит и пр. При смешении пылеугольного топлива с потоком окислителя происходит зажигание топливовоздушной смеси, Из патрубка 5 поток горящей смеси с большой скоростью (50-100 м/с) истекает в полость камеры 1 и закручивается, формируется вихревой факел. В нем происходит неполное сгорание пылеугольного топлива (ПУТ) с получением горячего восстановительного газа (ГВГ), Через сопло 7 также по системе пневмотранспорта в ту же зону, в нижнюю ступень 1 реактора тангенциально вводят смесь тонкоизмельченной шихты (руда, флюсы) с угольной пылью. Эта смесь имеет состав с соотношением углерод — железо

1:(4,5-4,6), Такое соотношение соответствует стехиометрии реакции (9) — основной реакции всего процесса восстановления из расплава по предлагаемому способу, Эта пропорция и будет оптимальной, отклонения от нее в любую сторону вызывают перерасход реагентов (часть их остается излишней, не используется) снижение степени восстановления, нарушение управляемости и стабильности процесса.

Из реактора отходящие газы через патрубок 8 направляются на очистку в сухие циклоны и после нее — на утилизацию (не показано). Схемы утилизации, состав оборудования могут быть различными и предусматривают использование химического и физического тепла отходящих из реактора газов, содержащих большое количество восстановителей (50-30 / и более).

Дутье, подаваемое через входной патрубок 5 (ПУТ в потоке нагретого окислителя), обеспечивает; проведение газификации; расплавление минеральной части реагентов; сепарацию расплавленных капель шлака и их осаждение на стенках, образование гарниссажа; непрямое восстановление железа газообразными восстановителями;

ЗРегОз+С0=2Рез04+СОг+37,25 МДж (1)

Рез04+СО=3Ре0+СОг-20,96 МДж (2)

Fe0+C0=Fe+COz+13,65 МДж (3)

3FezOa+Hz=2Fea04+Hz0-4,2 МДж (4)

Feg04+Hz=3F 0+HzO-62,41 МДж (5)

FeO+Hz=Fe+HzO-27,8 МДж (6)

Как показывает расчетный анализ, на этой стадии полностью проходят реакции восстановления высших окислбв до низших, (реакции 1, 2, 4, 5), а восстановление до железа (3, 6) оставляет около 10-20 от общего его количества в руде. Результаты первой стадии процесса — выделение тепла и восстановительная атмосфера — создаютусловия для второй стадии процесса: прямого восстановления при контактном взаимоДей- ствии расплавленных частиц шихты с твердым углеродом в реакторе при вдувании через сопло 7 реагентов второго технологического потока — смеси ПУТ и шихты, Процесс протекает по следующим реакциям:

3ГегОз+С=2Рез04+С0-129,7 МДж (7)

Рез04+С=3ЕеО+С0-187,28 МДж (8)

FeO+C--Fe+CO-152,67 МДж (9)

При этом достигается равновесие в присутствии твердого углерода в системе С-COCOz.

COz+C=2C0-166,З2 МДж, (10).

Таким образом, реакции прямого восстановления железа при высоких температурах (1500 С и более) идут с затратой твердого углерода при поглощении большого количества тепла и с выделением CÎ (реакции 7-9).

При этом производительность реактора по восстановленному железу определяется в основном энергетическими условиями, тепловым балансом — запасом тепла в реакционной зоне, Вихревые скоростные потоки в реакторе интенсифицируют (в отличие от процес- сов в ванне или в шахтной печи) механическое и физико-химическое взаимодействие, тепломассообмен реагентов— расплавленных капель шлака, флюсов, окислов металла и тем самым весь процесс восстановительной гарниссажной плавки.

Согласно заявляемому способу, в дутье. поддерживают соотношение углерод — кйс- лород 1:(1,07-1,33), что соответствует значению коэффициента расхода окислителя а в диапазоне 0,4-0,5. Этот диапазон является оптимальным, Он определяется двумя противоположными требованиями: к составу атмосферы (минимум окислителей » ROz

=(C0z+Hz0), наименьшее значение а) и к

1786084 температуре процесса (максимально возможно значение а);

Значение а=0,4 (отношение углерод— кислород равно 1:1,07) практические для всех углей соответствует началу выделения так называемого конденсированного (свободного) углерода, окислители при этом в продуктах сгорания отсутствуют, При а<0,4 (расход кислорода меньше 1,07 на весовую единицу углерода) резко снижаются выход продуктов газификации и температура, ухудшается стабильность процесса. B продуктах воздушной газификации с 0,5 содержание 2 ВОг невелико и для различных углей находится в пределах 5-77 . При й>0,5 (расход кислорода больше 1,33.на единицу углерода) растет содержание окислителей в газе, развивается реакция (4) с поглощением углерода и большого количества тепла, т.е. часть технологического угля, введенного через сопло 7, не функционирует как твердый восстановитель (см, уравнения 1-3), а окисляется. В результате затормаживается восстановительный процесс, ухудшается его экономичность (перерасход топлива, снижение производительности и др,).

При газификации ПУТ различных углей с а около 0,4 в воздухе, нагретом до

TQK=1200 С, развиваются температуры порядка 1600-1650 С, С учетом этого, а также по требованиям надежность процесса обеспечивают выбором основных входных параметров процесса: нагрева окислителя (ToK) и степени его обогащения кислородом (в).

Кроме того, с этой целью осуществляют подогрев сырья — ПУТ и шихты, а также предварительное восстановление последней путем утилизации отходящих газов. . Опробование предлагаемого способа на испытательном стенде — в реакторе И8ТАН подтвердило возможность и технологическую эффективность процесса, реализации восстановительной плавки. B качестве исходных сырьевых материалов использовали уголь — кузнецкий (С =68,8/

Р раб, массы); железная руда — железный суперконцентрат Оленегорского месторождения (Fe=71,78/,), крупность помола (угля и руды) в пределах 70-90 мк. Опытные плавки проведены в следующих диапазонах параметров; температура дутья (окислителя) около 1300 С, степень обогащения кислородом около 50, a=0,41-0,5, расход угла на газификацию 0,3 кг/с, расход технологической смеси (ПУТ и концентрата) 0,06-0,2 кг/с.

15

20 роком и меняющемся ассортименте

25,продукции.

Получен расплав металла, практически соответствующий передел ьному чугуну (С=4,7;

S=0,3; Р=0,12; Sl=0,7, остальное железо), но с повышенным содержанием серы и основностью шлака 0,05 из-за отсутствия флюсования (расшихтовки), Преимущества заявляемого решения по сравнению с прототипом: увеличение эффективности процесса; удешевление и упрощение технологии; . возможность использования низкосортных высокозольных углей (зольностью до

307 и более) при обычном станционном помоле; высокая удельная производительность; технология хорошо вписывается в схему машиностроительного или металлургического завода с неполным циклом (мини-завод, региональный металлургический завод, отраслевое металлургическое предприятие и т.д.), отличается маневренностью, хорошо приспособлена к условиям гибкого производства с малотоннажными заказами в шиФормула изобретения

1. Способ прямого получения металлов из окислов, преимущественно железа, включающий одновременные газификацию пылеугольного топлива и восстановление металлсодержащей руды продуктами газификации и пылеугольным топливом путем раздельной тангенциальной подачи пылеугольного топлива в потоке нагретого окислителя и смеси измельченной руды, флюсов и пылеугольного топлива в потоке газа-носителя в вертикальном цилиндрическом вихревом реакторе с последующим удалением продуктов реакций, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности процесса, подачу пылеугольного топлива в потоке нагретого окислителя, а также смеси руды, пылеугольного топлива и флюсов в потоке газа-носителя осуществляют на одном уровне в зону зажигания в средней части реактора.

2, Способ по и. 1, отличающийся тем, что соотношение углерод топлива — кислород окислителя в потоке поддерживают в пределах 1 .(1,07-1,33).

3. Способпоп.1,отл ича ющийся тем, что удаление из реактора газообразных продуктов производят тангенциально из верхней части реактора.

1786084

Составитель Л.Панникова

Техред М.Моргентал Корректор О,Густи

Редактор Т,Рожкова

Заказ 228 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

&ахи

rid

1786084

А-А

8mxu,B

ЛЖЬ/