Способ получения горячего восстановительного газа для восстановления руды металла и установка для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ выработки СО- и Н₂-содержащего восстановительного газа, служащего для восстановления мелкодисперсной руды металла, в частности железной руды, включает его образование в газификационной зоне путем газификации носителей углерода, в частности угля, при подаче кислорода, а затем охлаждение до температуры восстановительного газа, благоприятной для процесса восстановления без изменения содержания в нем Н₂О и/или СО₂. Чтобы предотвратить реакцию Будуара и гетерогенную водогазовую реакцию, а следовательно, и нагрев восстановительного газа, восстановительный газ превращают в восстановительный газ, термодинамически более стабильный при восстановительной температуре за счет ввода Н₂О и/или CO₂, что позволяет получить газ в температурном диапазоне, подходящем для восстановления руды металла, т.е. ниже температуры, при которой могут начаться явления плавления и закупорки, а также устранить химические воздействия на металлические материалы газонесущих систем. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Изобретение относится к способу получения восстановительного газа, содержащего СО и H₂, служащего для восстановления мелкодисперсной руды металла, в частности железной руды, по которому восстановительный газ образуется в газификационной зоне путем газификации носителей углерода, в частности угля, при подаче кислорода, который затем охлаждают до температуры восстановительного газа, подходящий для процесса восстановления, и к установке для осуществления этого способа.

Способ, описанного выше типа известен, например, из ЕР-А-0594557. В этом известном способе в плавильно-газификапионной зоне образуется чушковый чугун или полуфабрикат стали путем выплавления из по крайней мере частично восстановленного губчатого железа при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа и вырабатывается восстановительный газ, содержащий СО и Н₂. Восстановительный газ, образующийся в плавильно-газификационной зоне, имеет температуру в диапазоне 1000-1200^oС. При этой температуре происходит разложение высвобождающихся углеводородных соединений. Кроме того, при таких температурах содержание СО₂ и Н₂О падает ниже 6% для СО₂ и ниже 4% для Н₂О, поскольку они превращаются в СО и Н₂.

Для того чтобы использовать в восстановительном реакторе этот очень горячий восстановительный газ перед вводом в восстановительный реактор должен быть охлажден. Например, по ЕР-А-0594557 для этой цели применяют форсуночный охладитель. Часть восстановительного газа, охлажденного таким образом, добавляют к восстановительному газу, выходящему из плавильно-газификационной зоны. Такое традиционное охлаждение восстановительного газа до ~700-900^oС, которое осуществляют за счет охлажденного восстановительного газа такого же типа, предотвращает начинающееся плавление частиц руды в восстановительной зоне во время восстановления руды, но не снижает восстановительный потенциал восстановительного газа.

Недостатком является также то, что восстановительный газ, охлажденный таким образом, термодинамически нестабилен; из моноокиси углерода в соответствии с равновесием Будуара образуется двуокись углерода и углерод, так же как в соответствии с гетерогенным равновесием вода-газ происходит реакция моноокиси углерода с водородом с образованием воды и углерода, которая является экзотермической, так же как и первая реакция. Это приводит к повышению температуры восстановительного газа и, следовательно, температуры материала в реакторе, где начнется образование агломератов. Таким образом, осуществляется воздействие не только на процесс восстановления, но и на выработку материала в восстановительной зоне.

В US-А-5185032 описан способ, по которому горячий восстановительный газ, образующийся в плавильно-газификационном аппарате, охлаждают до температуры ~900-950^oС путем впрыскивания воды.

В FR-A-2236951 описан способ, по которому горячий восстановительный газ, образующийся в электропечи, подают в восстановительную шахтную печь, расположенную непосредственно над электропечью, и после входа в восстановительную шахтную печь охлаждают путем нагнетания воды, водяного пара, двуокиси углерода, углеводородов или другой охлаждающей среды для предотвращения агломерации частиц материала, содержащего оксид металла, в восстановительной шахтной печи. В охлажденном таким образом восстановительном газе содержание CO₂ в H₂O относительно велико.

В FR-A-766167 описан способ, по которому горячий восстановительный газ, образующийся в плавильном агрегате, подают непосредственно в восстановительную камеру, при этом он охлаждается в области купола плавильного агрегата, то есть до подачи в восстановительную камеру. Охлаждение производится или за счет подачи отработанного восстановительного газа после удаления углекислоты, или за счет подачи смеси углекислоты или водяного пара и угля для того, чтобы предотвратить агломерацию загрузочного материала в восстановительной камере.

Изобретение направлено на устранение этих недостатков и трудностей и имеет задачу создания способа описанного выше типа и установки для осуществления этого способа, обеспечивающих получение восстановительного газа в температурном диапазоне, подходящем для восстановления руды металла, то есть ниже температуры, при которой могут начаться явления плавления и закупорки в по крайней мере частично восстановленной руде металла. Более того, должно быть оптимизировано содержание H₂O/CO₂ в восстановительном газе и устранено химическое воздействие на металлические материалы газонесущих систем, то есть реакторов и газопередающих трубопроводов, встроенных конструкций и т.д.

В способе описанного типа эта задача решается за счет того, что путем ввода Н₂О и/или СО₂ - чтобы предотвратить реакцию Будуара и гетерогенную водогазовую реакцию и, следовательно, нагрев восстановительного газа и руды металла - восстановительный газ, подвергнутый охлаждению без изменения содержания в нем ₂О/СО₂, преобразуют в восстановительный газ, термодинамически более стабильный при восстановительной температуре.

Путем избирательного ввода Н₂О и/или СО₂ избирательно регулируют или предотвращают термодинамически обусловленное разложение восстановителей СО и Н₂. В восстановительном газе регулируют диапазоны концентраций, при которых реакция Будуара и гетерогенная водогазовая реакция, которые являются сильно экзотермическими, подавляются так, что исключается нежелательное повышение температуры восстановительного газа. В то же время, с помощью этого способа контролируют степень окисления восстановительного газа и подавляют химическое воздействие на металлические элементы конструкции.

Преимуществом является то, что Н₂О и/или СО₂ вводят в количествах, обеспечивающих почти полное равновесие Будуара и гетерогенное водогазовое равновесие восстановительного газа при температуре, подходящей для процесса восстановления.

Охлаждение восстановительного газа предпочтительно осуществляют путем подачи охлаждающего газа того же типа и/или доменного газа.

Ввод Н₂О целесообразно осуществлять путем подачи водяного пара, а ввод СО₂ - путем подачи газа, содержащего СО₂.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, подача СО₂ в восстановительный газ может по крайней мере частично осуществляться за счет того, что в восстановительный газ подают восстановительный газ, прореагировавший в процессе восстановления, так называемый доменный газ. Могут быть также использованы и другие газы, содержащие СО₂, например продукты очистки от СО₂.

Чтобы обеспечить интенсивное охлаждение восстановительного газа, к нему предпочтительно примешивают охлажденный восстановительный газ того же типа, что само по себе известно, а в охлажденный восстановительный газ того же типа вводят Н₂О и/или СО₂.

Установка для осуществления способа, включающая по крайней мере один восстановительный реактор с входящими в него транспортировочными трубопроводами для руды металла и восстановительного газа, газификационный реактор с входящими в него питающими трубопроводами для носителей углерода и кислородсодержащих газов и выходящим из него трубопроводом восстановительного газа, а также включающая средства охлаждения, размещенные в трубопроводе восстановительного газа и не повышающие содержания Н₂О/СО₂ в восстановительном газе, отличается тем, что источник СО₂ и источник Н₂О соединен (соединены) по течению с трубопроводом подачи охлажденного восстановительного газа.

Целесообразно восстановительный реактор оснастить отводным трубопроводом доменного газа для отвода прореагировавшего восстановительного газа. От него ответвлен боковой трубопровод, соединенный по потоку с трубопроводом восстановительного газа.

Другой предпочтительный вариант осуществления отличается тем, что из трубопровода восстановительного газа выведен рециркуляционный трубопровод восстановительного газа, который через скруббер и компрессор снова соединен с трубопроводом восстановительного газа в точке, расположенной выше точки ответвления рециркуляционного трубопровода восстановительного газа, относительно направления течения восстановительного газа, в частности, выше обеспыливающего устройства, имеющегося в трубопроводе восстановительного газа, и что источник СО₂ и источник Н₂О соединен с рециркуляционным трубопроводом восстановительного газа. Восстановительным реактором может служить реактор, включающий стационарный псевдоожиженный слой, псевдоожиженный слой Вентури, циркулирующий псевдоожиженный слой или каскад циклонов.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на примерный вариант осуществления, представленный на чертеже, где схематически изображена предпочтительная конструкция установки по изобретению.

Позицией 1 обозначен реактор предварительного нагрева, выполненный в виде реактора предварительного нагрева с псевдоожиженным слоем 2, в который через загрузочный трубопровод 3 могут подаваться загрузочные вещества, состоящие из железной руды и флюсов. Загрузочный трубопровод 3 входит в реактор сбоку на уровне зоны псевдоожиженного слоя 2 (зоны предварительного нагрева). Газы, образующиеся в реакторе 1 псевдоожиженным слоем и проходящие через него, выводятся из него в верхней части через отводной трубопровод газа 6, оснащенный циклоном очистки газа 4 и скруббером для газа 5, таким как скруббер Вентури. В виде высококачественного экспортного газа с теплотворной способностью около 8000 кДж/Нм³ эти газы могут быть использованы для различных нужд, например производства электроэнергии с выработкой или без выработки кислорода.

Через транспортировочный трубопровод 7 загрузочные материалы, нагретые в реакторе 1 предварительного нагрева с псевдоожиженным слоем, переходят в восстановительный реактор 8, также выполненный в виде реактора с псевдоожиженным слоем или каскада псевдоожиженных слоев, и основная их часть полностью восстанавливается в этом реакторе.

Через транспортировочный трубопровод губчатого железа 9 (например, включающий газовый инжектор), продукты восстановления, образующиеся в восстановительном реакторе с псевдоожиженным слоем 8, переходят в плавильно-газификационный аппарат 10; точнее, они вводятся в него на уровне углеродсодержащего слоя, имеющегося в плавильно-газификационном аппарате, в частности, над этим слоем или непосредственно в него. Плавильно-газификационный аппарат содержит по крайней мере один питатель 11 для угля и флюсов и форсуночные питатели 12 для кислородсодержащих газов, расположенные на нескольких уровнях высоты.

Внутри плавильно-газификационного аппарата 10 ниже плавильно-газификационной зоны собираются расплавленный чушковый чугун 13 и расплавленный шлак 14, которые могут быть отведены через отдельные отводы 15, 16. В плавильно-газификационном аппарате 10 из носителей углерода и кислородсодержащего газа вырабатывается восстановительный газ, который собирается в области затихания над углеродсодержащим слоем, и через газовый трубопровод 17 подается в восстановительный реактор с псевдоожиженным слоем 8, а именно - через сужение в форме усеченного конуса, имеющееся в шахтном восстановительном реакторе с псевдоожиженным слоем 8, где упомянутое сужение образует газораспределительное дно 19 и, с целью образования псевдоожиженного слоя (восстановительной зоны), восстановительный газ подается по краю упомянутого сужения при помощи кольцевого трубопровода 20.

Крупные частицы твердых веществ, которые не могут поддерживаться взвешенными в псевдоожиженном слое, падают вниз по центру под действием силы тяжести и выводятся через центральный отвод твердых веществ 21. Центральный отвод твердых веществ 21 выполнен таким образом, что благодаря радиальному газовому питателю 22 образуется псевдоожиженный поток, который достигает цилиндрической части реактора 23, снабженной коническим дном 24 и расположенной ниже газораспределительного дна в форме усеченного конуса 19, так чтобы обеспечивалось также удовлетворительное восстановление крупных частиц.

Благодаря тому, что газораспределительное дно 19 имеет форму усеченного конуса, скорость газа будет изменяться как функция высоты. В результате этого выше уровня газораспределительного дна 19 будет устанавливаться определенное распределение размеров зерна. Путем соответствующего размещения форсунок в газораспределительном дне 19 можно сформировать псевдоожиженный слой с внутренней циркуляцией, в котором скорость газа будет в центре выше, чем по краям. Структура псевдоожиженного слоя такого типа может быть использована как в восстановительном реакторе 8, так и в реакторе предварительного нагрева 1.

Часть восстановительного газа, выходящего из плавильно-газификационного аппарата 10, подвергают очистке в горячем циклоне 25 и охлаждению в последовательно подсоединенном скруббере 26, после чего через рециркуляционный трубопровод 28 с помощью компрессора 27 примешивают обратно к восстановительному газу, выходящему из плавильно-газификационного аппарата 10. Пыль, которую отделяют в горячем циклоне 25, передают обратно в плавильно-газификационный аппарат 10 через газовый инжектор 29. Через газовый питатель 22, который образован кольцевым трубопроводом, часть еще неохлажденного восстановительного газа, выходящего из горячего циклона 25, переходит в восстановительный реактор 8 с псевдоожиженным слоем через его цилиндрическую часть 23.

Через газовый трубопровод 30 газ, отводимый из восстановительного реактора с псевдоожиженным слоем 8, подают в восстановительный циклон 31, в котором мелкодисперсные частицы, все еще присутствующие в восстановительном газе, отделяются и полностью восстанавливаются. Через транспортировочный трубопровод 32 и газовый инжектор 33 эти мелкодисперсные частицы загружают в плавильно-газификационный аппарат 10 примерно на уровне верхней границы слоя.

Частично окисленный восстановительный газ, выходящий из восстановительного циклона 31, через газовый трубопровод 30 переходит в реактор предварительного нагрева 1 с псевдоожиженным слоем, но при этом часть его сжигается для подогрева восстановительного газа. Сжигание производят в камере сгорания 34, в которую входит трубопровод 35 для подачи кислородсодержащего газа.

Часть полностью восстановленных загрузочных материалов выводят из восстановительного реактора 8 с псевдоожиженным слоем на уровне псевдоожиженного слоя 18 при помощи разгрузочного шнека 36 и через транспортировочный трубопровод 37 и через газовый инжектор 33 вводят в плавильно-газификационный аппарат 10 примерно на уровне верхней границы слоя, предпочтительно вместе с мелкодисперсными частицами из восстановительного циклона 31.

Мелкодисперсный материал, отделенный в циклоне 4 отводного трубопровода экспортного газа 6, через транспортировочный трубопровод 38 со шлюзами 39 и через кольцевой трубопровод 20 для подачи восстановительного газа загружают в восстановительный реактор 8 с псевдоожиженным слоем. Шлюзы, подобные шлюзам 39, имеются также и в других транспортировочных трубопроводах, таких как 9, 32 и 37, предназначенных для транспортировки частично или полностью восстановленного материала.

Установка по чертежу работает следующим образом.

Подготовленную, то есть просеянную и высушенную мелкодисперсную руду, загружают в реактор предварительного нагрева 1 пневматически или с помощью погрузчика для мешков или грузоподъемника. Там ее нагревает до температуры около 850^oС в зоне псевдоожиженного слоя 2 и, возможно, частично восстанавливают, примерно до стадии вустита, за счет восстановительной атмосферы.

Для этой операции частичного восстановления восстановительный газ должен содержать по крайней мере 25% CO+H₂ для того, чтобы обладать достаточной восстановительной способностью.

После этого предварительно нагретая и, возможно, частично восстановленная мелкодисперсная руда переходит, предпочтительно под действием силы тяжести, в восстановительный реактор 8, в частности, в псевдоожиженный слой 18, в котором мелкодисперсная руда в основном восстанавливается до стадии Fe при температуре около 850^oС. Для этой операции восстановления газ должен содержать как минимум 68% СО+Н₂.

Если для мелкодисперсной руды требуется более длительное время восстановления, то устанавливают второй (а если необходимо - третий) восстановительный реактор с псевдоожиженным слоем, включающий дополнительный восстановительный циклон, соединенный последовательно с первым восстановительным реактором 8. Во втором восстановительном реакторе восстановление мелкодисперсной руды происходит до стадии вустита, а в первом восстановительном реакторе 8 - до стадии Fe.

Позицией 40 на чертеже обозначены наиболее важные участки описанной выше установки, на которых наиболее подходящим образом может быть реализована возможность соединения с источником СО₂ и/или источником Н₂О, то есть со средствами ввода газов содержащих CO₂ и/или H₂O; действие упомянутых газов будет описано ниже.

Участки ввода 40 предпочтительно расположены или в трубопроводах 17, соединяющих плавильно-газификационный аппарат 10 с восстановительным реактором 8, или в цикле охлаждения восстановительного газа 26, 27, 28. Если участок ввода 40 расположен в цикле охлаждения восстановительного газа 26, 27, 28 в точке, расположенной по течению ниже компрессора 27, это дает такие преимущества, как, например, возможность применения компрессора 27 меньших габаритов. Кроме того, нагретый за счет сжатия газ в этом случае будет охлаждаться при подаче Н₂О и/или СО₂.

Эффективность мер, предложенных по данному изобретению, более полно описывается в примерах I-IV, где в примере I просто описана известная технология. Все величины, представленные в таблицах состава газа приведены в процентах объема.

Пример I Восстановительный газ, вырабатываемый по известной технологии, например по ЕР-А-0594557, имеет состав, приведенный в таблице I. Восстановительный газ выходит из плавильно-газификационного аппарата 10 при температуре 1050^oС под давлением 4,5 бар абс. Он может использоваться для восстановления железной руды.

Таблица I СО - 65% Н₂ - 30% CO₂ - 1% Н₂О - 1% СН₄ - 1% N₂ - 2% Для того чтобы температура восстановительного газа составляла около 850^oС, к восстановительному газу необходимо примешивать охлаждающий газ. В соответствии с примером I добавляют охлаждающий газ того же типа при температуре 70^oС, также при давлении 4,5 бар абс. Для достижения температуры 850^oС необходима добавка 27,8% охлаждающего газа. Это обусловливает следующие недостатки: - требуется очень большое количество охлаждающего газа, так как через боковой трубопровод должна быть отведена и подвергнута операции охлаждения значительная часть горячего восстановительного газа, что требует больших энергетических и аппаратных затрат;
- общее содержание СО₂ и Н₂О не соответствует равновесному, поскольку после добавления охлаждающего газа по пути к восстановительному реактору 8 будет происходить сильно экзотермическое разложение СО и H₂ в соответствии с уравнением 2СО<-->СО₂+С (реакция Будуара) и СО+Н₂<-->Н₂О+С (гетерогенная водогазовая реакция) соответственно. Это приводит к увеличению температуры, из-за которого может потребоваться подача дополнительного количества охлаждающего газа. Повышение температуры приводит к агломерации материала в реакторе. Кроме того, возникает агрессивное химическое воздействие на металлические трубы, встроенные элементы и т. д., с которыми контактирует восстановительный газ. Наконец, за счет реакции СО и Н₂ снижается эффективное количество газа для восстановления.

Пример II
В восстановительный газ, который имеет приведенный в таблице I состав, под давлением 4,5 бар абс. ввели газ, обогащенный СО₂ и имеющий температуру 70^oС. Состав газа, обогащенного СО₂, приведен в таблице II.

Таблица II
СО - 13%
Н₂ - 2%
CO₂ - 77%
Н₂О - 5%
СН₄ - 1%
N₂ - 2%
Путем добавления к восстановительному газу по таблице I 12,3% охлаждающего газа того же типа, что и в примере I, и 10,7% газа, обогащенного СО₂ по таблице II, получили восстановительный газ, имеющий температуру 850^oС и давление 4,5 бар абс., с химическим составом по таблице III.

Таблица III
СО - 60,5%
Н₂ - 27,5%
CO₂ - 7,6%
Н₂О - 1,4%
СН₄ - 1,0%
N₂ - 2,0%
В этом восстановительном газе общее содержание СО₂ и Н₂О близко к равновесному при 850^oС, так что разложение СО и Н₂ почти полностью исключено. Газ, обогащенный СО₂, подают в цикл охлаждающего газа, например, в рециркуляционный трубопровод 28 в соответствии с чертежом. Очевидно, что при этом возможно значительное уменьшение размера цикла охлаждающего газа, так как требуется добавка лишь 12,3% охлаждающего газа вместо 27,8% по примеру I. В соответствии с примером II возможно использование газов с низкой теплотворной способностью, то есть газов, обогащенных СО₂. При восстановлении железной руды восстановительным газом, подготовленным таким образом, надежно предотвращается избыточный нагрев материала в реакторе, и восстановленный материал может быть без проблем передан в плавильно-газификационный аппарат 10.

Пример III.

В соответствии с примером II водяной пар добавляют к охлаждающему газу того же типа. Химический состав восстановительного газа, выходящего из плавильно-газификационного аппарата 10, и охлаждающего газа идентичен химическим составам, приведенным в примере I.

Пар (100% Н₂О) добавляют при температуре 250^oС и давлении 12 бар абс. При добавке 18% охлаждающего газа с 8,5% водяного пара образуется восстановительный газ, имеющий температуру 850^oС и давление 4,5 бар абс. Химический состав восстановительного газа приведен в таблице IV.

Таблица IV
СО - 60,7%
Н₂ - 28,0%
CO₂ - 0,9%
Н₂О - 7,6%
СН₄ - 0,9%
N₂ - 1,9%
Этот вариант также обеспечивает преимущество цикла с небольшими объемами циркуляции охлаждающего газа с практически равновесным содержанием СО₂ и Н₂О. Дополнительное преимущество этого варианта заключается в незначительном изменении количества восстановителей.

Формула изобретения

1. Способ получения горячего восстановительного газа, содержащего СО и Н₂, для восстановления мелкодисперсной руды металла, в частности железной руды, по которому восстановительный газ получают в газификационной зоне путем газификации носителей углерода, в частности угля, при подаче кислорода, а затем охлаждают до температуры восстановительного газа, подходящей для процесса восстановления, отличающийся тем, что путем ввода Н₂О и/или СО₂ для предотвращения реакции Будуара и гетерогенной водогазовой реакции и, следовательно нагрева восстановительного газа, восстановительный газ, подвергнутый охлаждению без изменения содержания в нем Н₂О и/или СО₂, преобразуют в восстановительный газ, термодинамически стабильный при восстановительной температуре.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что Н₂О и/или СО₂ вводят в количествах, обеспечивающих почти полное равновесие Будуара и гетерогенное водогазовое равновесие восстановительного газа при температуре, подходящей для процесса восстановления.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ввод Н₂О осуществляют путем подачи водяного пара.

4. Способ по одному или нескольким пп. 1-3, отличающийся тем, что ввод СО₂ осуществляют путем подачи газа, содержащего СО₂.

5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что в восстановительный газ подают восстановительный газ, прореагировавший в процессе восстановления.

6. Способ по одному или нескольким пп. 1-5, отличающийся тем, что к восстановительному газу примешивают охлажденный восстановительный газ того же типа, а в охлажденный восстановительный газ вводятся Н₂О и/или СО₂.

7. Установка для осуществления способа по одному или нескольким пп. 1-6, включающая, по крайней мере, один восстановительный реактор (8) с входящими в него транспортировочным трубопроводом (7) для руды металла и трубопроводом восстановительного газа (17), включающая газификационный реактор (10) с входящими в него питающими трубопроводами (11, 12) для носителей углерода и кислородсодержащих газов и выходящим из него трубопроводом восстановительного газа (17), а также включающая средства охлаждения, размещенные в трубопроводе восстановительного газа (17) и не влияющие на содержание Н₂О/СО₂ в восстановительном газе, отличающаяся тем, что к трубопроводу восстановительного газа (17) для подачи охлажденного восстановительного газа подсоединен (подсоединены) источник СО₂ и источник Н₂О.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что восстановительный реактор (8) оснащен отводным трубопроводом доменного газа (6, 30) для вывода прореагировавшего восстановительного газа, от которого ответвлен боковой трубопровод (41), подсоединенный к трубопроводу восстановительного газа (17).

9. Установка по п. 7 или 8, отличающаяся тем, что из трубопровода восстановительного газа (17) выведен рециркуляционный трубопровод восстановительного газа (28), который через скруббер (26) и компрессор (27) снова соединен с трубопроводом восстановительного газа (17) в точке, расположенной выше точки ответвления рециркуляционного трубопровода восстановительного газа (28) относительно направления течения восстановительного газа, в частности выше обеспыливающего устройства (25), имеющегося на трубопроводе восстановительного газа (17), и что источник СО₂ и/или источник Н₂О соединены с рециркуляционным трубопроводом восстановительного газа (28).

РИСУНКИ

Рисунок 1