Способ восстановления оксидсодержащего материала и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 С 21 В 13/ОО

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

;В И

К ПАТЕНТУ (21) 4831252/02 (86) РСТ/F1 89/00057 (29.03.89) (22) 28.09.90 (46) 23.04.93. 6юл. М 15 (31) 881486; 882975 (32) 30.03,88; 22,06.88 (33) Fl (71) А, Альстрем Корпорейшн (FI) (72) Ханс Зльвандер (SE) и Рольф Мальмстрем (Fl) (56) Заявка Японии 62 — 227022, кл. С 21 В 13/14, опублик. 06.10.87. (54) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА. И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность: в способе получения в реакторе предварительно восстановленного продукта для окончательного восстановления из материала, содержащего оксиды металла, материал предварительно нагревается в кипящем слое при помощи горячих газов от соответствующей стадии предварительного восстановления. Стадию

Изобретение относится к получению материала, содержащего оксиды металла, например, обогащенной руды или рудного концентрата методом предварительного нагрева и предварительного восстановления для получения предварительно восстановленного материала, удобного для окончательного восстановления.

Целью изобретения является снижение энергозатрат и повышение эффективности процесса. Ы 1811539 А3 предварительного восстановления осуществляют в камере сгорания с частичным оп.лавлением нагретого оксидсодержащего материала путем его тангенциального ввода и углеродсодержащего и кислородсодержащего газов. Горячий материал плавится и предварительно восстанавливается в камере сгорания, использующей горячие газообразные восстановители оФ Гпоследующей ступени окончательного воСстановления.

Предварительно восстановленный материал полностью восстанавливается нэ стадии окончательного восстановления, Газы, отходящие из камеры сгорания, подают в нижнюю часть реактора кипящего слоя, а уловленные пылевидные оксидсодержащие материалы частично подают в камеру сгорания. В устройстве для осуществления способа камера сгорания расположена на плавильном газификаторе, имеет средства тэнгенциального подвода углеродсодержащего и кислородсодержащего газов. 2 с. и 8 з.п, ф-лы, 4 ил.

На фиг. 1 схематически показано устройство для осуществления метода, отвечающего настоящему изобретению; на фиг. 2 — увеличенное изображение стенки камеры сгорания; на фиг. 3 — вариант конструкции данного устройства; на фиг. 4 — другой вариант данного устройства, Устройство, изображенное на фиг. 1, представляет собой в общих чертах камеру сгорания 1, реактор для восстановления в кипящем слое 2, размещенный на ее верхней части и соединенной с сепаратором 3

1811539 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 га-. зы при температурах примерно 1400—

18QQ 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 николя 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 температу- ры, 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

5 частицы возвращаются из нижней части циклонного сепаратора по обратному трубопроводу10, в реактордля восстановления в кипящем слое 2, или по входномутрубопроводу 11 в камеру сгорания. Отношение рециркулирующего материала к материалу, который должен быть непосредственно seeден в камеру сгорания, может регулироваться при помощи устройства 12. В некоторых случаях повторный возврат в реактор не

15 обязателен, но для получения равномерного и быстрого нагрева рудного концентрата в большинстве случаев выгодным является циркулирующий слой. Массивность циркулирующего слоя сама по себе оказывает ста20 билизирующее влияние на теплоперенос в реакторе без оказания влияния на энергетический баланс. Время выдержки частиц. в циркулирующем слое увеличивается и мо жет легко регулироваться, что приводит к

25 очень гибким процессам .

Восстэновитель в виде частиц, напри-. мер, в виде угля или кокса 13, и газ, поддерживающий горение, например, воздух . обогащенный кислородом, например > 17

30 кислорода, или газообразный кислород 14, смешивается с материалом в трубопроводе

11, В соответствии с методом, предлагаемым настоящим изобретением, могут быть также использованы низкосортные углерод35 содержащие восстановители, например, торф, бурый уголь, каменный уголь. В некоторых процессах восстановительный потенциал газообразных восстановителей в окончательной фазе восстановления доста40 точен для предварительного восстановления концентрата железной руды. В этих. случаях подача восстановителя в камеру сгорания может не проводиться. Коксообразующее вещество или флюсующая добавка 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

50 кислород могут подаваться непосредственно в камеру сгорания по отдельным отверстиям, Перед поступлением в камеру сгорания входной трубопровод 11 разделяется нэ

55 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, TO трубопровод 11 может входить в камеру

1811539 теплоту из пламени. ж сгорания от каждого отдельного сепаратора по отдельным патрубкам, предназначенным для каждого сепаратора, соответственно.

В показанном варианте конструкции патрубки размещены по окружности в ниж- 5 ней части камеры сгорания. Патрубки направляют материал, подаваемый в камеру сгорания наклонно вверх-внутрь по касательной к воображаемым горизонтальным окружностям внутри камеры сгорания, Диа- 10 метр 17 этих окружностей меньше поперечного сечения камеры сгорания.

Горячие восстановительные продукты горения, например СО и Hz, образующиеся на этапе окончательного восстановления, 15 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 20 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 25 касательной и при соответствующей скорости создает циклонный эффект, который приводит материал во вращательное движение внутри камеры сгорания, способствуя эффективному смешиванию газа и частиц, В 30 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- 35 талла. Частицы кокса 20, которые не сгорели, смешиваются с расплавом оксида металла 19, вызывая непрерывное восстановление, благодаря тонкому слою газообразного восстановителя 21, 40 появляющемуся над расплавом и частично в нем, около стенки. Доля частиц, содержащих кокс, следует с расплавом на участок окончательного восстановления.

Естественно, материал, который дол- 45 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 50 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, 55 эффективно смешивался с газами в камере сгорания и чтобы материал, содержащий оксиды металла, мог эффективно поглощать

Предпочтительно, чтобы стенки 22 камеры сгорания были мембранного типа, по трубкам s 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 гозообразные 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 вращательнос движение, что заставляет расплавленный материал перемещаться по стенкам 18 камеры. Восходящие газы и патрубки могут быть направлены таким образом, чтобы расплав распределялся по стенке вжелаемом 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, содеращего кислород, для сжигания образую1811539 щегося газообразного восстановителя. Пат- передана к расплаву сама по себе при поморубки направлены по касательной к вообра-, щи яркой дуги в нагреваемом плазмой газе, жаемой горизонтальной окружности . Часть образующихся газов может быть диаметром менее половины реактора, бла- отобрана с этапа конечного восстановления годаря чему смесь газов внутри конвертера 5 для рекуперативного или регенеративного приводится в циклонное движение. Газ, со- предварительного нагрева. держащий кислород, будет обтекать повер- . На фиг. 4 приведено устройство для нехность слоя шлака 25 и сжигать сколько другого варианта конструкции, газообразный восстановитель сразу же по- предлагаемой данным изобретением. В сле их образования на слое шлака, переда- 10 этом случае камера сгорания 1 имеет суживая таким образом теплоту слою шлака в вающийся нижний конец30, ккоторомуподванне. соединен входной трубопровод 11 для

Окончательное восстановление предва- предварительного нагретого материала, сорительно восстановленного стекающего держащего оксиды металла. Целью в этом вниз расплавленного материала происхо- 15 случае является как расплавление, так и. дит в основном в шлаке в слое 26 между - предварительное восстановление предвашлаком и расплавом 27 с образованием га- рительно нагретого. материала горячими газообразного восстановителя.: . зообразными . восстановителями, Предпочтительно использовать газ, со- образующймися йа конечном этапе восстадержащий 17 — 100% кислорода. Хорошее 20 новления, в основном, без сжигания горяперемешивание вайны при помощи, напри-, чих газов или любого добавления мер, инертного газа способствует лучшей восстановителя, В камересгораниядолжей передаче теплоты от горючих газов ванне. быть обеспечен очень хороший контакт

Газы, образовавшиеся" иа конечном этапе между предварительно нагретым материавосстановления, поднимаются йепосредст- 25 лом и.горячим газообразйым восстановитевейно в камеру сгоранйя, проходя над сте- лем, поступающим из фазы окончательного кающим вниз предварительно восстановления-4,. В варианте конструкцйи, восстановленным материалом, В некоторых показанном.на рисунке, нижняя часть камеслучаях может быть вйгодйым подавать га - ры сгорания является конусообразной для зы в камеру сгорания сбоку. Это может быть 30 обеспечения действенного смешения. Темосуществлено таким образом, чтобы сгора- . пература в нижней части может возрастать

we в камере сгорания, в основном, имело до 100 — 1700OC, благодаря чему быстро место в зоне окисления камеры сгорания, завершаются расплавление и восстановлепричем зона восстановления тоже сохраня- ние, ется в камере сгорания.. 35 В соответствии с настоящим способом, Окончательный восстановитель напри- реакции"могут быть осуществлены практимер, каменный уголь или кокс могут загру- чески без газов, йоддерживающйх горение, жаться в конвертер через отверстие 28 в благодаря чему большая часть восстанов. расплаве металла или через отверстие в ленных газов, образующихся на стадии слой шлака или над слоем шлака. Кислород 40 окончательного восстановления, может подается через отверстие 29, быть сожжейа в конвертере в связи с их

Топливо и газ, содержащий кислород, образованием, чем это было в случае, когда могутбыть инжектированы в слой шлака или . газообразные восстановители были нужны расплав для выполнения энергетических для процесса горения внутри камеры сгоратребований для окончательного восстанов- 45 ния. Сжигание газов в конвертере экономиления нерасплавленных оксидов металла в чески более выгодно, чем сжигание s камере конвертере 20 — 60% образующихся газооб- сгорания, разных восстановителей могут быть сожже- Вращательное движение материала .в ны над слоем шлака в конвертере, Если камере сгорания, которое необходимо для дополнительная энергия подается в рас- 50 того, чтобы расплавленный материал переплав электродами, то только 4 — 20% обра- мещался по стенкам и не направлялся в Зовавшихся газов могут сгорать над слоем реактор для восстановления в кипящем слое шлака. Высокая температура может оказы- 2, вызывается поступлением отходящих гавать вредное влияние на электроды. зов по трубопроводу 31 из реактора для

Для воспламенения газов,образующих- 55 восстановления в кипящем слое в камеру ся над слоем шлака, может использоваться сгорания. Отходящие газы отводятся из сенагреваемый плазмой кислород или регене- паратора частиц 3 частично от процесса черативно или рекуперативно нагреваемый рез теплообменник 32 и частично — из кислород и/или воздух. Теплота может быть верхней части камеры сгорания по трубоп1811539

10 роводу 31, образуя вихрь в материале в камере сгорания, Вращательное движение может быть также получено другими методами, например подачей газа из газогенератора, нахо- 5 дящегося рядом с камерой сгорания.

Данный газ может сжигаться в камере сгорания, увеличивая таким образом содержание теплоты внутри камеры сгорания.

Формула изобретения 10

1. Способ восстановления оксидсодержащего материала, включающий его предварительный нагрев в реакторе кипящего слоя, предварительное восстановление и окончательное восстановление в плавиль- 15 ном газификаторе.с одновременным получением восстановительного газа путем подачи в расплав угля и кислородсодержащего газа, использование полученного восстановительного газа на стадии 20 предварительного восстановления, улавли-. вание, возврат в реактор кипящего слоя пы.левидных оксидных материалов, выпуск: жидкого металла и шлака, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения энергозатрат 25 и повышения эффективности, стадию предварительного восстановления осуществляют в камере сгорания с частичным оплавлением нагретого оксидсодержащего материала путем тангенциального ввода в 30 камеру сгорания оксидсодержащего материала, углеродсодержащего и кислородсодержащего газов, причем горячие газы, отходящие от камеры сгорания, подают в нижнюю часть реактора. кипящего слоя, а 35 уловленные, пылевидные оксидсодержащие материалы частично подают в камеру сгорания.

2. Способ поп.1,отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа, подаваемого в камеру сгорания, ис- 40 пользуют воздух.

3. Способ по и, 1, отличающийся . тем, что в качестве кислородсодержащего газа, подаваемого в камеру сгорания, используют газообразный кислород. 45

4. Способ по и, 1, отличающийся тем, что предварительно нагретый оксидсодержащий материал загружают в нижнюю часть камеры сгорания рядом с вводом восстановительного газа со стадии окончатель- 50 ного восстановления.

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

6. Способ по и. 1, отличающийся тем, что углеродсодержащий материал подвергают газификации до ввода в камеру сгорания, 7. Способ по и, 1, отличающийся тем, что нагретый оксидсодержащий материал в реакторе кипящего слоя осуществляют предпочтительно при 600 — 950 С, 8, Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и ся тем, что предварительное восстановление с частичным оплавлением в камере сгорания осуществляют предпочтительно при

1400- 1800 С. .9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газы, образующиеся на этапе окончательного восстановления" частично дожигают кисл ородсодержащим 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 материала, 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, о т л и ч а ю щ 8, 9 с я тем, что, с целью снижЕния энергозатрат и повышения эффективности процесса, камера предварительного восстановления расположена непосредственно на плавильном газификаторе и снабжена средствами тангенциального подвода 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.

1811539

1811539 фиг. 3

28 29 фиг.М

Составитель Л.Панникова

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Е.Папп

Редактор .

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

Заказ 1463 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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