Способ и установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала

 

Изобретение относится к прямому восстановлению сыпучего материала в нескольких зонах с псевдоожиженным слоем, реформированным природным газом, подаваемым в противотоке к сыпучему ферроксидсодержащему материалу. Ферроксидсодержащий материал нагревают в первой зоне псевдоожиженного слоя до температуры от ниже 400^oС, предпочтительно ниже 350^oС, до выше 580^oС, предпочтительно 650^oС, при этом при температуре нагрева ферроксидсодержащего материала в этой зоне выше 580^oС, предпочтительно около 650^oС, температурный диапазон от 400 до 580^oС проходят за время не более 10 мин, предпочтительно 5 мин. При температуре нагрева от 400 до 580^oС осуществляют выдержку ферроксидсодержащего материала в этом температурном диапазоне в течение не более 10 мин, предпочтительно 5 мин, а при температуре ниже 400^oС, предпочтительно ниже 350^oС, прохождение температурного диапазона от 400 до 580^oС осуществляют во второй зоне псевдоожиженного слоя в течение 10 мин, предпочтительно в течение 5 мин. Представлены также установки, позволяющие осуществить указанные варианты осуществления способа. Реализация изобретения позволит снизить эксплуатационные и энергетические расходы за счет более полного использования химического потенциала восстановительного газа. 11 с. и 26 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к способу прямого восстановления в псевдоожиженном слое сыпучего ферроксидсодержащего материала, согласно которому синтез-газ, например реформированный природный газ, вводят в качестве восстановительного газа в несколько зон псевдоожиженного слоя, расположенных для восстановительного газа последовательно друг за другом, и проводят из одной зоны псевдоожиженного слоя в другую зону псевдоожиженного слоя в противотоке к сыпучему ферроксидсодержащему материалу, при этом нагрев ферроксидсодержащего материала осуществляют в зоне псевдоожиженого слоя, расположенной первой по направлению потока ферроксидсодержащего материала, а прямое восстановление осуществляют в следующей зоне (зонах) псевдоожиженного слоя, а также к установке для осуществления этого способа.

Способ этого типа известен из US-A-5082251, WO-A-92/02458 и ЕР-А-0571358. Согласно US-A-5082251 богатую железом мелкозернистую руду восстанавливают с помощью восстановительного газа и при повышенном давлении в системе реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно. Полученный таким способом порошок железа затем подвергают горячему или холодному брикетированию.

Восстановительный газ получают каталитическим реформингом десульфурированного и предварительно нагретого природного газа с перегретым водяным паром в обычной реформинг-установке. Затем реформированный газ охлаждают в теплообменнике, после чего содержание H₂ в восстановительном газе увеличивается за счет конверсии СО при катализирующем действии оксида железа. Затем образующийся CO₂, а также СО₂, выходящий из печи реформинга, удаляют в СО₂-скруббере.

Этот газ смешивают с частью восстановительного газа (колошникового газа), нагревают и в три этапа (в трех реакторах с псевдоожиженным слоем) в противотоке восстанавливают мелкозернистую руду.

Обработка руды в технологической цепочке начинается с сушки и последующего просеивания. Затем руда попадает в реактор предварительного нагрева, работающий на природном газе. Восстановление мелкозернистой руды происходит в трех последовательно расположенных реакторах при повышенном давлении.

Из ЕР-А-0571358 известен способ прямого восстановления мелкозернистой руды не только сильно эндотермической реакцией с водородом по формуле Fe₂О₃ + 3Н₂ = 2Fe + 3Н₂О - ΔН но дополнительно реакцией с СО по формуле Fе₂О₃ + 3СО = 2Fe + 3СО₂ + ΔН, которая является экзотермической реакцией. За счет этого появляется возможность значительно снизить эксплуатационные расходы и, в частности, потребление энергии. Согласно уровню техники на основании кинетики известных способов при прямом восстановлении происходит образование магнетита в виде слоя, образующегося на каждой частице или зерне ферроксидсодержащего материала и постепенно растущего в направлении снаружи вовнутрь. На практике было показано, что образование магнетита оказывает ингибирующее воздействие на процесс прямого восстановления восстановительным газом. Таким образом, достижение более или менее полного восстановления загружаемого ферроксидсодержащего материала возможно только путем повышения затрат, например, за счет увеличения потребления восстановительного газа. В частности даже в зонах псевдоожиженного слоя, которые расположены первыми, необходимо обеспечить присутствие восстановительного газа, обладающего высоким восстановительным потенциалом.

Изобретение направлено на устранение этих недостатков и проблем и ставит своей задачей усовершенствовать способ описанного выше типа с целью снижения потребления энергии за счет полного использования химического потенциала восстановительного газа. В частности эксплуатационные расходы существенно снижаются за счет оптимального использования восстановительного газа как в отношении восстановительного потенциала, так и в отношении количества тепла.

В соответствии с изобретением эта задача решается тем, что - температуру ферроксидсодержащего материала в первой зоне псевдоожиженного слоя устанавливают ниже 400^oС, предпочтительно ниже 350^oС, - или устанавливают температуру выше 580^oС, предпочтительно около 650^oС, - или устанавливают температуру в диапазоне от 400 до 580^oС, - при этом при установлении температуры до температуры ниже 400^oС температурный диапазон от 400 до 580^oС в зоне псевдоожиженного слоя, следующей за первой зоной псевдоожиженного слоя по направлению потока ферроксидсодержащего материала, проходят за время не более 10 минут, предпочтительно не более 5 минут, - при установлении температуры до температуры выше 580^oС температурный диапазон от 400 до 580^oС проходят за время максимум 10 минут, предпочтительно 5 минут, и
- при установлении температуры в диапазоне от 400 до 580^oС ферроксидсодержащий материал выдерживают в этом температурном диапазоне в течение максимум 10 минут, предпочтительно 5 минут, и непосредственно после достижения заданной температуры направляют в следующую зону псевдоожиженного слоя.

За счет этих мер можно эффективно устранить или в значительной степени снизить образование слоев магнетита. Образование слоя магнетита происходит очень быстро, и тем быстрее, чем ближе температура ферроксидсодержащего материала к предельной температуре, равной примерно 580^oС. Магнетит, образующийся на поверхности частицы ферроксидсодержащего материала или зерна руды, имеет плотность более высокую, чем сама руда, что увеличивает сопротивление диффузии на поверхности раздела между восстановительным газом и железной рудой. В результате скорость реакции снижается. В соответствии с диаграммой Баур-Глесснера такое образование плотного слоя магнетита на поверхности зерна железной руды главным образом происходит при температурах железной руды вплоть до 580^oС. При температуре железной руды ниже 400^oС образование магнетита снова замедляется, и в результате этого плотные слои магнетита образуются не так быстро.

На кинетику реакции образования магнетита влияет состав газа и твердого вещества. Молекулы восстановительного газа должны проходить из наружного потока газа через граничный слой, обладающий адгезией к газу, и через макропоры и микропоры к месту реакции. Там происходит диссоциация кислорода. Окисленный газ выходит обратно тем же путем. Таким образом, процесс восстановления в зерне руды происходит в направлении снаружи внутрь. При этом пористость зерна увеличивается, так как диссоциированный кислород покидает пустоты, а общие размеры зерна руды практически не уменьшаются. Фронт реакции перемещается снаружи внутрь зерна руды. При наличии плотных слоев концентрация восстановительного газа уменьшается снаружи внутрь. Этот газ сначала диффундирует снаружи через уже восстановленную оболочку до фронта реакции, где он вступает в реакцию, а затем диффундирует обратно в виде продуктов реакции. Для пористых поверхностей реакция на границе фаз происходит на стенках пор в пределах фронта реакции, при этом газ может также одновременно диффундировать внутри. При наличии плотных слоев магнетита на поверхности зерна руды происходит ингибирование кинетики реакции, поскольку диффузия восстановительного газа через этот слой затруднена, и поэтому массоперенос восстановительного газа не может осуществляться так, как это происходит в пористых зернах руды.

Задача изобретения заключается в обеспечении перехода температуры ферроксидсодержащего материала при нагреве от температуры 400^oС до температуры 580^oС за как можно более короткий период времени, а также в исключении выдержки в пределах этого критического температурного диапазона. При быстром прохождении этого температурного диапазона образование слоя магнетита происходит очень умеренно. В крайнем случае, образуется вюстит, не оказывающий неблагоприятного влияния на восстановление. Поэтому создаются существенно лучшие условия для восстановления в зоне псевдоожиженного слоя, расположенной первой по направлению потока ферроксидсодержащего материала.

Предпочтительно ферроксидсодержащий материал во всех случаях направляют в следующую зону псевдоожиженного слоя немедленно после достижения заданной температуры.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления температурный диапазон от 400 до 580^oС при исключении времени выдержки проходят безостановочно, при этом средний температурный градиент в диапазоне от 400 до 580^oС составляет минимум 20^oС/мин, предпочтительно 40^oС/мин.

Если в этой первой зоне псевдоожиженного слоя задана температура исключительно ниже 400^oС, то температурный диапазон от 400 до 580^oС проходят во второй по направлению потока ферроксидсодержащего материала зоне псевдоожиженного слоя, и это происходит там при значительно более высокой скорости, чем это возможно при нормальных условиях в первой зоне псевдоожиженного слоя, поскольку температура восстановительного газа во второй зоне псевдоожиженного слоя еще значительно выше, а кроме того, выше также восстановительный потенциал. В результате образование магнетита затруднено или снижено. В этом случае быстрое прохождение через критический температурный диапазон происходит во второй зоне псевдоожиженного слоя также в пределах некритического периода времени.

Если критический температурный диапазон подлежит прохождению только во второй зоне псевдоожиженного слоя, это может осуществляться различными способами.

Например, это можно обеспечить за счет того, что восстановительный газ, подаваемый в первую зону псевдоожиженного слоя, подвергают охлаждению перед вводом в эту первую зону псевдоожиженного слоя.

Эффективное регулирование температуры до температуры ниже 400^oС в первой зоне псевдоожиженного слоя может быть также достигнуто за счет того, что восстановительный газ, выходящий из зоны псевдоожиженного слоя, расположенной после первой зоны псевдоожиженного слоя по направлению потока ферроксидсодержащего материала, вводят в первую зону псевдоожиженного слоя лишь частично, а восстановительный газ, выходящий из первой зоны псевдоожиженного слоя, по меньшей мере частично возвращают в первую зону псевдоожиженного слоя.

В предпочтительном варианте осуществления ферроксидсодержащий материал и газ подвергают непрямому охлаждению в первой зоне псевдоожиженного слоя предпочтительно воздухом или водой.

Возможно также прямое охлаждение ферроксидсодержащего материала и газа в первой зоне псевдоожиженного слоя предпочтительно путем впрыска воды и/или водяного пара через сопла.

В соответствии с вариантом, наиболее простым в исполнении, проскакивание критической температуры в первой зоне псевдоожиженного слоя обеспечивают за счет того, что ферроксидсодержащий материал имеет более короткое время пребывания в первой зоне псевдоожиженного слоя, чем в зонах псевдоожиженного слоя, расположенных дальше в направлении движения ферроксидсодержащего материала.

Возможны также некоторые другие варианты, при которых обеспечивается максимально быстрое прохождение критического температурного диапазона в первой зоне псевдоожиженного слоя, например в пределах 5 минут.

Это может быть достигнуто за счет того, что перед введением в первую зону псевдоожиженного слоя нагревают весь объем или часть объема восстановительного газа, подаваемого в первую зону псевдоожиженного слоя, предпочтительно непрямым нагревом посредством дымового газа.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения весь объем или часть объема восстановительного газа, выходящего из зоны псевдоожиженного слоя, следующей за первой зоной псевдоожиженного слоя по направлению потока ферроксидсодержащего материала, и по меньшей мере частичное количество свежего, предпочтительно неиспользованного восстановительного газа подают в первую зону псевдоожиженного слоя.

Другой предпочтительный вариант отличается тем, что в восстановительный газ, вводимый в первую и/или следующую зону псевдоожиженного слоя, перед его вводом в первую зону псевдоожиженного слоя подают кислород или кислородсодержащий газ при частичном сжигании восстановительного газа.

Следующий предпочтительный вариант отличается тем, что в восстановительный газ, вводимый в первую и/или следующую зону псевдоожиженного слоя, подают кислород или кислородсодержащий газ при частичном сжигании восстановительного газа.

Быстрое прохождение критического температурного диапазона может быть также осуществлено за счет того, что ферроксидсодержащий материал, загружаемый в первую зону псевдоожиженного слоя, загружают в предварительно нагретом состоянии, предпочтительно в сильно нагретом состоянии, в частности, при температуре выше 250^oС.

Следующий предпочтительный вариант осуществления отличается тем, что ферроксидсодержащий материал и газ подвергают непрямому нагреву в первой зоне псевдоожиженного слоя предпочтительно посредством горячего газа, или посредством дымового газа, или за счет сжигания горючего газа.

Само собой разумеется, что задача изобретения может быть решена также путем комбинированного применения двух или нескольких вышеописанных вариантов.

Заявленная установка для осуществления способов согласно изобретению, содержащая несколько расположенных последовательно реакторов с псевдоожиженным слоем для принятия ферроксидсодержащего материала, причем ферроксидсодержащий материал передается из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в одном направлении, а восстановительный газ передается из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через соединительные трубопроводы в противоположном направлении, отличается тем, что в реакторе с псевдоожиженным слоем, расположенном первым в направлении движения ферроксидсодержащего материала, установлен рекуператор.

Установки для осуществления способов согласно изобретению описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Такие установки сами по себе частично известны, например, из ЕР-А-0571358 (установление повышенной температуры в первом восстановительном реакторе). Кроме того, сами по себе известны из US-A-3205066 - частичное сжигание при помощи кислорода или кислородсодержащего газа в псевдоожиженном слое, из US-A-3982901 и US-A-3983927 - устройство теплообменников в реакторах с псевдоожиженным слоем и из ЕР-А-0345467 - оснащение реакторов с псевдоожиженным слоем трубами для нагрева потока, снабженными рубашкой.

Далее изобретение описано более подробно при помощи чертежей, где на фиг. 1 показана технологическая схема предпочтительного варианта осуществления, в соответствии с которым в первой зоне псевдоожиженного слоя поддерживается температура ферроксидсодержащего материала ниже 400^oС. На фиг.2-4 показан узел технологической схемы, представленной на фиг.1, в соответствующем модифицированном варианте исполнения, когда согласно этому варианту исполнения максимальную температуру в 400^oС устанавливают в первой зоне псевдоожиженного слоя. Варианты, представленные на фиг.5-8, подробно показывают различные варианты выполнения технологической схемы по фиг.1, подобные показанным на фиг.2-4, но для случая, когда в зоне псевдоожиженного слоя, расположенной первой по направлению потока ферроксидсодержащего материала, устанавливают температуру выше 580^oС. На фиг.9 показана диаграмма Баур-Глесснера процесса восстановления при наличии или отсутствии воздействия на уровень температуры в первой зоне псевдоожиженного слоя. Фиг.10 иллюстрирует различные режимы работы согласно изобретению для нагрева в первой зоне псевдоожиженного слоя.

Установка согласно изобретению в соответствии с фиг.1 содержит четыре реактора 1-4 с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, причем материал, содержащий оксид железа, такой как мелкозернистая руда, через подающий руду трубопровод 5 подают в первый реактор 1 с псевдоожиженным слоем, в котором осуществляется нагрев до заданной температуры (и/или, при необходимости, предварительное восстановление), как будет более подробно описано далее. Затем мелкозернистую руду передают из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы 6, при этом в каждом из реакторов 1-4 с псевдоожиженным слоем формируются зоны псевдоожиженного слоя. Полностью восстановленный материал (губчатое железо) подвергают горячему брикетированию в устройстве брикетирования 7. Если требуется, восстановленное железо во время брикетирования предохраняют от повторного окисления посредством системы с инертным газом (не показано).

Перед вводом мелкозернистой руды в первый реактор 1 с псевдоожиженным слоем ее подвергают подготовительным операциям, таким как сушка и просеивание, которые подробно не показаны.

Восстановительный газ передают из одного реактора 4 с псевдоожиженным слоем в другой реактор 3-1 с псевдоожиженным слоем противотоком к направлению потока руды и выводят из реактора 1 с псевдоожиженным слоем, расположенного последним в направлении потока газа, в виде колошникового газа через отводной трубопровод 8 колошникового газа, после чего охлаждают и очищают во влажном скруббере 9.

Восстановительный газ получают в реформинг-установке 10 путем реформинга природного газа, который подают через трубопровод 11 и десульфурируют в десульфурирующей установке 12. Газ, полученный из природного газа и пара, выходящий из реформинг-установки 10, в основном состоит из ₂, СО, CH₄, Н₂О и СО₂. Этот реформированный природный газ через трубопровод 13 реформированного газа подают в один или несколько теплообменников 14, в которых он охлаждается до 80-150^oС, в результате чего из газа конденсируется вода.

Трубопровод 13 реформированного газа входит в отводной трубопровод 8 колошникового газа, после чего колошниковый газ подвергают сжатию посредством компрессора 15. Получаемый таким образом смешанный газ пропускают через СО₂-скруббер 16, где происходит его очистка от CO₂ и H₂S. После этого его можно использовать в качестве восстановительного газа. Этот восстановительный газ поступает по трубопроводу 17 подачи восстановительного газа, нагревается до температуры около 800^oС в газонагревателе 18, расположенном после СО₂-скруббера 16, и его подают в реактор 4 с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока газа, где он вступает в реакцию с мелкозернистыми рудами для прямого восстановления железа. Реакторы 4-1 с псевдоожиженным слоем расположены последовательно; восстановительный газ поступает из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через соединительные трубопроводы 19. Количество реакторов с псевдоожиженным слоем зависит от определенных условий, таких как свойства восстановительного газа, требующийся градиент восстановления и т.д.

Для того чтобы избежать обогащения инертными газами, такими как азот N₂, часть колошникового газа отводят из газового контура 8, 17, 19 и через боковой трубопровод 20 подают в газонагреватель 18 для нагрева восстановительного газа и сжигают там. Возможный недостаток энергии восполняют за счет природного газа, который подают через подающий трубопровод 21.

Теплосодержание реформированного природного газа, выходящего из реформинг-установки 10, и дымовых газов реформинг-установки используют в рекуператоре 22 для предварительного нагрева природного газа, прошедшего через десульфурирующую установку 12, для получения пара, требующегося для реформинга, и для предварительного нагрева подаваемого в газонагреватель 18 через трубопровод 23 воздуха для горения, а также, если требуется, и восстановительного газа. Воздух для горения, подаваемый в реформинг-установку 10 через трубопровод 24, также предварительно нагревают.

В соответствии с вариантами, представленным на фиг.1-4, устранение или минимизация образования магнетита достигается за счет того, что в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем не допускают повышения температуры выше 400^oС. Согласно фиг. 1 это осуществляют с помощью установленного в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем теплообменника 25 с охлаждающими змеевиками 26 или другими подобными устройствами, размещенными внутри реактора 1 с псевдоожиженным слоем. Через охлаждающие змеевики пропускают воду, которая превращается в пар. В качестве охлаждающей среды может быть использован также водяной пар, используемый на другой стадии этого процесса. Вместо охлаждающих змеевиков в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем могут быть также установлены погружные поверхности нагрева.

С помощью такого устройства можно охлаждать уже частично использованный восстановительный газ, который поступает из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, до такой степени, чтобы руда, содержащаяся в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем, не нагревалась выше 400^oС. Нагрев выше 400^oС до желаемой температуры восстановления осуществляют в реакторе 2 с псевдоожиженным слоем, в котором восстановительный газ, поступающий из реактора 3 с псевдоожиженным слоем, нагревает руду до температуры выше 580^oС за очень короткое время. Нагрев происходит так быстро, что образование магнетита предотвращается в максимальной степени.

Понижение температуры в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем также может быть достигнуто путем прямого охлаждения водой и/или водяным паром, как это показано на фиг.2. Воду или водяной пар подают по трубопроводу 27 или непосредственно в реактор 1 с псевдоожиженным слоем, и/или через трубопровод 28 в соединительный трубопровод 19, ведущий в реактор 1 с псевдоожиженным слоем. Введение воды или водяного пара не создает проблем в отношении потребления энергии, так как колошниковый газ, выходящий из реактора 1 с псевдоожиженным слоем через отводной трубопровод 8 колошникового газа, в любом случае проходит через скруббер 9, где осуществляется окончательное охлаждение, которого не происходит в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем.

Согласно фиг. 3, охлаждение зоны псевдоожиженного слоя в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем происходит за счет рекуперативного теплообменника 29, установленного в соединительном трубопроводе 19, ведущем от реактора 2 с псевдоожиженным слоем к реактору 1 с псевдоожиженным слоем. В этом теплообменнике восстановительный газ, предназначенный для подачи в реактор 1 с псевдоожиженным слоем, охлаждают с помощью воды, воздуха и т.п. Охлаждение может быть также произведено путем прямого впрыска воды и/или водяного пара через сопла.

Согласно фиг.4 температуру в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем поддерживают не выше 400^oС за счет того, что часть восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, подают непосредственно в трубопровод колошникового газа через боковой трубопровод 30, и только остальную часть, смешанную с оборотным колошниковым газом, выходящим из реактора 1 с псевдоожиженным слоем, вводят в реактор 1 с псевдоожиженным слоем. С этой целью от отводного трубопровода 8 колошникового газа, выходящего из реактора 1 с псевдоожиженным слоем, ответвлен боковой трубопровод 31, который входит в соединительный трубопровод 19.

Более слабый нагрев руды может быть также получен за счет более короткого времени пребывания руды в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем, что также положительно влияет на кинетику процесса восстановления. На практике это может быть достигнуто за счет уменьшения размеров первого реактора 1 с псевдоожиженным слоем.

Благодаря всем этим мерам реактор 1 с псевдоожиженным слоем уже не служит непосредственно зоной восстановления, а служит в первую очередь зоной нагрева.

Согласно вариантам, представленным на фиг.5, 6, 7 и 8, в первом реакторе с псевдоожиженным слоем устанавливают температуру выше 580^oС, а время прохождения температурного диапазона - и это важно для изобретения - между 400 и 580^oС составляет менее 5 минут. При этом имеется ввиду не температура газа, а температура загружаемого материала, содержащего оксид железа, т.е. железной руды.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.5, это достигается за счет того, что по меньшей мере часть уже частично использованного восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, вводят в реактор 1 с псевдоожиженным слоем через рекуперативный теплообменник 32. Предпочтительно, теплообменник работает на дымовом газе или другом горячем газе.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.6, поступающий в реактор 1 с псевдоожиженным слоем и выходящий из реактора 2 с псевдоожиженным слоем восстановительный газ смешивают со свежим восстановительным газом, за счет чего он имеет гораздо более высокую температуру. Примешиваемый свежий восстановительный газ подают в реактор 1 с псевдоожиженным слоем через боковой трубопровод 33, ответвленный от подающего трубопровода 17 восстановительного газа. Поскольку часть восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, заменяется свежим восстановительным газом, часть восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, может быть отведена в отводной трубопровод 8 колошникового газа через боковой трубопровод 30. Обязательного примешивания совершенно свежего восстановительного газа не требуется, достаточно добавлять к восстановительному газу, выходящему из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, восстановительный газ, который имеет более высокий восстановительный потенциал.

Согласно фиг.7, в реактор 1 с псевдоожиженным слоем встроен рекуперативный теплообменник 35, через который пропускают поток горячего газа, такого как дымовой газ. Возможна также подача в теплообменник горючего газа с воздухом или другим кислородсодержащим газом или кислородом, что согласно изобретению обусловливает сгорание горючего газа и, следовательно, значительное увеличение температуры руды, загружаемой в реактор 1 с псевдоожиженным слоем, за короткий период времени. В этом случае рекуператор 35 служит камерой сгорания для имеющейся в нем горелки. Образующийся дымовой газ может быть использован для сушки руды или для предварительного нагрева восстановительного газа. Часть потока восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, отводят в отводной трубопровод 8 колошникового газа через боковой трубопровод 30.

Согласно варианту исполнения, представленному на фиг.8, в систему подают воздух или другой кислородсодержащий газ или кислород, что также поднимает температуру в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем до такой степени, что руда нагревается от 400 до 580^oС за 5 минут. Кислород или кислородсодержащий газ может быть подан в соединительный трубопровод 19 (точка В), соединяющий реактор 2 с псевдоожиженным слоем с реактором 1 с псевдоожиженным слоем. Однако возможна также непосредственная подача этих газов в реактор 2 с псевдоожиженным слоем, и/или реактор 1 с псевдоожиженным слоем (точки А и/или D), или даже в соединительный трубопровод 19 (точка С), соединяющий реактор 3 с псевдоожиженным слоем с реактором 2 с псевдоожиженным слоем. В результате происходит частичное сгорание восстановительного газа, что сильно увеличивает температуру в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем или соответственно в реакторе 2 с псевдоожиженным слоем, или в соединительном трубопроводе 19. Этими мерами также относительно просто можно обеспечить прохождение критического для образования магнетита температурного диапазона от 400 до 580^oС, предпочтительно от 350 до 650^oС, за критический период времени 5 минут. Часть потока восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, отводят в отводной трубопровод 8 колошникового газа через боковой трубопровод 30.

Такой быстрый нагрев железной руды в критическом температурном диапазоне также может быть достигнут путем подачи в реактор 1 с псевдоожиженным слоем предварительно нагретой, например, до температуры 250-400^oС мелкозернистой руды.

Из фиг.9, представляющей собой диаграмму Баур-Глесснера, видно, что образование магнетита происходит в процессе восстановления без воздействия на уровень температуры в первом реакторе с псевдоожиженным слоем. Этот процесс показан на диаграмме кружками (диаграмму Баур-Глесснера следует понимать как термодинамическую диаграмму, т.е. независимую от кинетики реакции и, таким образом, от динамики процесса восстановления). При увеличении температуры в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем свыше 580^oС - этот процесс показан на фиг. 9 квадратиками - образование магнетита почти совсем не происходит. Снижение температуры в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем показано на фиг.9 треугольниками. Поскольку прохождение критического температурного диапазона в следующем реакторе с псевдоожиженным слоем, т.е. в реакторе 2 с псевдоожиженным слоем, происходит очень быстро, образование магнетита ограничено, при этом ни на одной из стадий восстановления не возникает препятствий для процесса восстановления.

На диаграмме фиг.10, где осью ординат является температура, а осью абсцисс - время, схематически показана температурная кривая для трех вариантов рабочих режимов реактора 1 с псевдоожиженным слоем. Согласно варианту I, который представлен кривой, обозначенной сплошной линией, в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем устанавливается температура несколько ниже 400^oС. Видно, что критический температурный диапазон 400-580^oС, обозначенный на фиг.10 заштрихованным полем, не затрагивается.

Образование магнетита при температуре несколько ниже 400^oС происходит настолько медленно, что потенциальный слой магнетита на зернах руды не затрудняет дальнейшего восстановления. Дальнейшее восстановление представлено кривой IV, которая продолжает кривую I и показывает нагрев ферроксидсодержащего материала или зерен руды в реакторе 2 с псевдоожиженным слоем. Видно, что прохождение критического температурного диапазона 400-580^oС в реакторе 2 с псевдоожиженным слоем происходит очень быстро, поскольку восстановительный газ в этом реакторе 2 с псевдоожиженным слоем очень горячий и имеет очень высокую активность. Это время слишком мало для образования слоя магнетита, который мог бы затруднить восстановление, хотя образование магнетита происходит в этом температурном диапазоне очень быстро.

Кривая согласно варианту II, представленная пунктирной линией, показывает температурные условия, которые преобладают в случае, если в первом реакторе 1 с псевдоожиженным слоем устанавливается температура выше 580^oС. Здесь также прохождение критического температурного диапазона 400-580^oС происходит очень быстро, а время для образования слоя магнетита на зернах руды слишком мало, чтобы привести к заметным затруднениям процесса восстановления.

Кривая согласно варианту III, представленная штрих-пунктирной линией, показывает нагрев в том случае, когда в первом реакторе 1 с псевдоожиженным слоем устанавливается температура в пределах критического диапазона, т.е. между 400 и 580^oС. В этом случае важно, чтобы нагрев происходил особенно быстро для того, чтобы время нахождения ферроксидсодержащего материала или зерен руды в пределах этого температурного диапазона было как можно меньше. В этом случае также важно, чтобы материал был выгружен из реактора 1 с псевдоожиженным слоем и передан в реактор 2 с псевдоожиженным слоем немедленно после достижения требующейся в реакторе 1 с псевдоожиженным слоем температуры. Выдержку в критическом температурном диапазоне следует исключить в любом случае, поскольку, как уже отмечалось, образование магнетита в этом критическом температурном диапазоне происходит очень быстро, и на зернах руды может образоваться соответствующий толстый слой магнетита.

Образование магнетита также иллюстрируется на диограмме фиг.10 полем с вертикальной штриховкой, где увеличение доли магнетита показано как функция времени.

Формула изобретения

1. Способ прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала в псевдоожиженном слое, включающий ввод синтез-газа, такого, как реформированный природный газ, в качестве восстановительного газа в несколько последовательно расположенных друг за другом зон псевдоожиженного слоя с подачей из одной зоны в другую в противотоке к сыпучему ферроксидсодержащему материалу, нагрев ферроксидсодержащего материала в зоне псевдоожиженного слоя, расположенной первой по направлению потока ферроксидсодержащего материала, и его прямое восстановление в следующей/следующих зоне/зонах псевдоожиженного слоя, отличающийся тем, что температуру нагрева ферроксидсодержащего материала в первой зоне псевдоожиженного слоя устанавливают в диапазоне от ниже 400^oС, предпочтительно ниже 350^oС до выше 580^oС предпочтительно 650^oС, при этом время пребывания в температурном диапазоне от 400 до 580^oС составляет не более 10 мин, предпочтительно не более 5 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру нагрева ферроксидсодержащего материала в первой зоне псевдоожиженного слоя устанавливают выше 580^oС, предпочтительно около 650^oС, при этом прохождение температурного диапазона от 400 до 580^oС осуществляют за время не более 10 мин, предпочтительно 5 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру нагрева ферроксидсодержащего материала в первой зоне псевдоожиженного слоя устанавливают от 400 до 580^oС, при этом осуществляют выдержку ферроксидсодержащего материала в этом температурном диапазоне в течение не более 10 мин, предпочтительно 5 мин, и непосредственно после достижения заданной температуры направляют в следующую зону псевдоожиженного слоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру нагрева ферроксидсодержащего материала в первой зоне псевдоожиженного слоя устанавливают ниже 400^oС, предпочтительно ниже 350^oС, при этом прохождение температурного диапазона от 400 до 580^oС осуществляют в зоне псевдоожиженного слоя, следующей за первой зоной псевдоожиженного слоя в направлении потока ферроксидсодержащего материала в течение 10 мин, предпочтительно в течение 5 мин.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что ферроксидсодержащий материал во всех случаях направляют в следующую зону псевдоожиженного слоя немедленно после достижения заданной температуры.

6. Способ по одному или нескольким из пп.1-2 и 4-5, отличающийся тем, что прохождение температурного диапазона от 400 до 580^oС при исключении времени выдержки осуществляют безостановочно, при этом средний температурный градиент в диапазоне от 400 до 580^oС составляет минимум 20^oС/мин, предпочтительно 40^oС/мин.

7. Способ по одному или нескольким из пп.1-6, отличающийся тем, что восстановительный газ, подаваемый в первую зону псевдоожиженного слоя, подвергают охлаждению перед вводом в эту первую зону псевдоожиженного слоя.

8. Способ по одному или нескольким из пп.1-7, отличающийся тем, что восстановительный газ, выходящий из зоны псевдоожиженного слоя, расположенной после первой зоны псевдоожиженного слоя по направлению потока ферроксидсодержащего материала, вводят в первую зону псевдоожиженного слоя лишь частично, а восстановительный газ, выходящий из первой зоны псевдоожиженного слоя, по меньшей мере частично возвращают в первую зону псевдоожиженного слоя.

9. Способ по одному или нескольким из пп.1-8, отличающийся тем, что ферроксидсодержащий материал и газ подвергают непрямому охлаждению в первой зоне псевдоожиженного слоя, предпочтительно воздухом или водой.

10. Способ по одному или нескольким из пп.1-8, отличающийся тем, что ферроксидсодержащий материал и газ подвергают прямому охлаждению в первой зоне псевдоожиженного слоя, предпочтительно путем впрыска воды и/или водяного пара через сопла.

11. Способ по одному или нескольким из пп.1-6, отличающийся тем, что перед введением в первую зону псевдоожиженного слоя весь поток или часть восстановительного газа, подаваемого в первую зону псевдоожиженного слоя, нагревают, предпочтительно непрямым нагревом посредством дымового газа.

12. Способ по одному или нескольким из пп.1-6 и 11, отличающийся тем, что весь объем или часть объема восстановительного газа, выходящего из зоны псевдоожиженного слоя, следующей за первой зоной псевдоожиженного слоя по направлению потока ферроксидсодержащего материала, и по меньшей мере часть свежего и, предпочтительно, неиспользованного восстановительного газа, подают в первую зону псевдоожиженного слоя.

13. Способ по одному или нескольким из пп.1-6 и 11-12, отличающийся тем, что в восстановительный газ, вводимый в первую и/или следующую зону псевдоожиженного слоя, перед его вводом в первую зону псевдоожиженного слоя подают кислород или кислородсодержащий газ при частичном сжигании восстановительного газа.

14. Способ по одному или нескольким из пп.1-6 и 11-13, отличающийся тем, что в первую и/или следующую зону псевдоожиженного слоя подают кислород или кислородсодержащий газ при частичном сжигании восстановительного газа.

15. Способ по одному или нескольким из пп.1-6 и 11-14, отличающийся тем, что ферроксидсодержащий материал загружают в первую зону псевдоожиженного слоя в предварительно нагретом состоянии, предпочтительно в сильно нагретом состоянии, в частности при температуре выше 250^oС.

16. Способ по одному или нескольким из пп.1-6 и 11-15, отличающийся тем, что ферроксидсодержащий материал и газ подвергают непрямому нагреву в первой зоне псевдоожиженного слоя, предпочтительно горячим газом, или дымовым газом, или за счет сжигания горючего газа.

17. Способ по одному или нескольким из пп.1-6, отличающийся тем, что время пребывания ферроксидсодержащего материала в первой зоне псевдоожиженного слоя меньше, чем в следующих по направлению потока ферроксидсодержащего материала зонах.

18. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для реализации способа по п.9 или 16, при этом в реакторе с псевдоожиженным слоем, расположенном первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, установлен рекуператор.

19. Установка по п.18, отличающаяся тем, что рекуператор соединен с трубопроводом для воды или водяного пара.

20. Установка по п.18, отличающаяся тем, что рекуператор соединен с трубопроводом горячего газа.

21. Установка по п.18, отличающаяся тем, что для осуществления способа по п.16 рекуператор соединен с трубопроводом дымового газа.

22. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.17 и в реакторе с псевдоожиженным слоем, расположенном первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, установлена горелка, причем упомянутая горелка выполнена герметичной относительно зоны псевдоожиженного слоя этого реактора с псевдоожиженным слоем.

23. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.7, при этом в соединительном трубопроводе между расположенными по направлению потока ферроксидсодержащего материала первым и вторым реакторами с псевдоожиженным слоем установлено охлаждающее устройство, предпочтительно рекуператор, подключенный к охлаждающей среде, предпочтительно к воздуху или воде.

24. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.8, при этом от трубопровода, отводящего колошниковый газ из реактора с псевдоожиженным слоем, расположенного первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, ответвлен боковой трубопровод, сообщающийся с упомянутым реактором с псевдоожиженным слоем, предпочтительно выходящий в соединительный трубопровод, открывающийся в упомянутый реактор с псевдоожиженным слоем.

25. Установка по п. 24, отличающаяся тем, что из соединительного трубопровода, соединяющего реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, со следующим за ним реактором с псевдоожиженным слоем, отведен боковой трубопровод, выходящий в отводной трубопровод колошникового газа.

26. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.9 или 10 и содержит трубопровод для подачи охлаждающей среды, который открыт или непосредственно в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, или в соединительный трубопровод, соединяющий первый реактор с псевдоожиженным слоем со следующим реактором с псевдоожиженным слоем.

27. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.11 и содержит соединительный трубопровод между реактором с псевдоожиженным слоем, расположенным первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, и вторым реактором с псевдоожиженным слоем, в котором размещено устройство нагрева, предпочтительно рекуператор, подключенный к дымовому газу или горючему газу.

28. Установка по п. 27, отличающаяся тем, что от соединительного трубопровода, соединяющего первый реактор с псевдоожиженным слоем со следующим реактором с псевдоожиженным слоем, ответвлен боковой трубопровод, выходящий в отводной трубопровод колошникового газа, отводящий отработанный газ из первого реактора с псевдоожиженным слоем.

29. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.12 и содержит трубопровод для подачи свежего восстановительного газа, непосредственно или через соединительный трубопровод выходящий в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала.

30. Установка по п.29, отличающаяся тем, что от соединительного трубопровода, соединяющего первый реактор с псевдоожиженным слоем со следующим реактором с псевдоожиженным слоем, ответвлен боковой трубопровод, выходящий в отводной трубопровод колошникового газа, отводящий отработанный газ из первого реактора с псевдоожиженным слоем.

31. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.13, при этом в один из соединительных трубопроводов и/или в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный вторым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, входит трубопровод для подачи кислородсодержащего газа или кислорода.

32. Установка по п.31, отличающаяся тем, что от соединительного трубопровода, соединяющего реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, со следующим реактором с псевдоожиженным слоем, ответвлен боковой трубопровод, входящий в отводной трубопровод колошникового газа, отводящий отработанный газ из первого реактора с псевдоожиженным слоем.

33. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.14 и в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, входит трубопровод для подачи кислородсодержащего газа или кислорода.

34. Установка по п. 33, отличающаяся тем, что от соединительного трубопровода, соединяющего реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, со следующим реактором с псевдоожиженным слоем, ответвлен боковой трубопровод, входящий в отводной трубопровод колошникового газа, отводящий отработанный газ из первого реактора с псевдоожиженным слоем.

35. Установка для прямого восстановления сыпучего ферроксидсодержащего материала, содержащая несколько реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно, для принятия ферроксидсодержащего материала и передачи его из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем через транспортировочные трубопроводы в противотоке с восстановительным газом, подаваемым через соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по п.15 и перед реактором с псевдоожиженным слоем, расположенным первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала размещено устройство для предварительного нагрева ферроксидсодержащего материала.

36. Установка по п.35, отличающаяся тем, что реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, имеет меньший внутренний объем, чем реакторы с псевдоожиженным слоем, следующие по направлению потока ферроксидсодержащего материала.

37. Установка по п.35, отличающаяся тем, что от соединительного трубопровода, соединяющего реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный первым по направлению потока ферроксидсодержащего материала, со следующим реактором с псевдоожиженным слоем, ответвлен боковой трубопровод, входящий в отводной трубопровод колошникового газа, отводящий отработанный газ из первого реактора с псевдоожиженным слоем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10