Устройство для получения карбида железа прямым восстановлением металлического железа
Изобретение относится к получению карбида железа с высоким содержанием углерода прямым восстановлением из окиси железа. Устройство содержит реактор для восстановления окиси железа в металлическое железо с последующим науглероживанием и превращением в карбид железа в любой из его форм FeC, Fe2C, Fe3C или в их смесь. Под реактором расположен контейнер для охлаждения и пассивирования карбида железа, а между реактором и контейнером расположено соединительное устройство для регулирования прохода горячего карбида железа из реактора в контейнер, содержащее клапан для твердых частиц. С нижней частью контейнера соединено устройство для выгрузки холодного продукта, синхронизированное с соединительным устройством. Контейнер для охлаждения и пассивирования содержит цилиндрическую зону и диффузионное устройство, расположенное под цилиндрической зоной и приспособленное для диффузии охлаждающего газа для охлаждения продукта посредством прямого контакта на участке между цилиндрической зоной и диффузионным устройством от 550-650°С до 90°С. Охлаждающий газ содержит примерно 1-3% водяного пара и/или 1-2% кислорода для создания тонкого покрытия из окиси материала, полностью пассивируя его. Изобретение позволит контролировать оптимальный температурный уровень, при котором углерод диффундирует и вступает в соединения, а также избежать разрушения материала и получения тонких частиц. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к устройству для получения карбида железа с высоким содержанием углерода прямым восстановлением из окиси железа. Это устройство гравитационного типа содержит реактор для восстановления и науглероживания, под которым расположен контейнер для охлаждения и пассивирования, в котором карбид железа охлаждается и полностью пассивируется.
В способах прямого восстановления железной руды, которые были известны и разрабатывались в продолжении последних пятидесяти лет, требуется объединенная система с двумя основными установками для получения высоко металлизированного железа.
В первой установке, которая называется восстановленным реактором, восстановительный газ, в основном водород, окись углерода или их смесь, контактирует при высокой температуре с железной рудой.
Вторая установка, которая называется установкой для риформинга, предназначена для получения восстановительного газа; здесь природный газ вступает в реакцию с газом, содержащим кислород, водяной пар и/или двуокись углерода, в результате которой получается газ, богатый водородом и окисью углерода, который вдувается в восстановительный реактор.
В последние двадцать лет были разработаны процессы автокатализа, в которых металлическое железо используется как катализатор в реакциях риформинга, и соответствующие способы прямого восстановления железных руд, в которых исключена необходимость в отдельных реакторах и в использовании никелевых катализаторов, а также в дополнительных технологических установках.
Раньше процессы автокатализа были направлены на производство карбида железа из железных руд в одном реакторе, то есть в одной установке, в которой осуществляются все стадии восстановления, получения восстановительного газа, науглероживания металлического железа, охлаждения и пассивирования продукта.
Эти устройства с одной установкой имеют, однако, по меньшей мере два следующих недостатка: в продолжение охлаждения и пассивирования столб газа поднимается вверх по направлению к зоне науглероживания, вследствие чего легко потерять контроль над углеродом и его превращением в карбид железа, что приводит к тому, что нет возможности контролировать оптимальный температурный уровень, при котором углерод диффундирует и вступает в соединения; более того, чтобы гарантировать, что материал остается в течение соответствующего времени в зоне науглероживания, необходимо увеличить высоту столба материала внутри реактора, при этом продукт подвергается высокому давлению в нижней зоне самого реактора с опасностью разрушения материала и получения тонких частиц.
Задачей изобретения является разработка и усовершенствование устройства для прямого восстановления согласно изобретению для преодоления недостатков известного уровня техники.
Устройство для прямого восстановления для получения карбида железа из оксидов, содержащих железо, в соответствии с изобретением изложено в основном пункте формулы изобретения, в котором приведены его отличительные черты, в то время как в зависимых пунктах описаны другие возможности усовершенствования изобретения.
Целью изобретения является создание устройства, в котором такие стадии реакции, как прямое восстановление оксидов металлического железа и его науглероживание, пассивирование и охлаждение, отделены друг от друга.
Для решения поставленной задачи устройство согласно изобретению заключается в объединении обычного реактора для восстановления, в котором получают металлическое железо из железной руды с последующим науглероживанием, с контейнером с контролируемой атмосферой для осуществления пассивирования и охлаждения продукта.
Более точно, устройство содержит агрегат для восстановления, осаждения углерода и науглероживания, состоящий из реактора с входным отверстием в верхней части для руды, содержащей оксиды железа, цилиндрической зоны для восстановления оксидов металлического железа и осаждения углерода поверх железа, и зоны науглероживания, в которой образуются различные карбиды: FeC, Fe2C, Fе3С, предпочтительно Fе3С.
Реактор имеет коническую зону в нижней части, где происходит накопление горячего карбида железа. Коническая зона соединена в нижней части с контейнером посредством клапана для твердых частиц, обычно горячих.
Реактор также содержит двойной инжектор восстановительного газа для улучшения распределения и подвода тепловой энергии и распределитель метана, расположенный непосредственно под двойным инжектором технологического газа для осаждения углерода. Весь газ, который получается в зоне осаждения углерода и в зоне восстановления, поднимается по направлению к верху реактора, то есть по направлению к входному отверстию для окиси железа.
Горячий карбид железа с температурой примерно между 550°С и 650°С проходит в контейнер для охлаждения, где он пассивируется и охлаждается примерно до 50°С. Затем материал выгружается посредством вибрационного питателя с решетчатым или качающимся колосником.
Эти и другие отличительные черты изобретения поясняются более подробно нижеследующим описанием предпочтительной формы конструктивного исполнения, приведенным в качестве примера, не ограничивающего изобретения и в котором показана схема устройства для прямого восстановления согласно изобретению.
Устройство 10 для прямого восстановления согласно изобретению с целью получения карбида железа из оксидов железа содержит реактор 12 с зоной восстановления 16 преимущественно цилиндрической формы, в который руда, содержащая окись железа, подается по верхней входной трубе 14.
Горячий технологический газ вдувается в две нижние зоны 16а и 16b реактора 12 через инжекторы 17а и соответственно 17b. Технологический газ может быть любого известного типа, например тот, который описан в международной публикации РСТ № WO-A-00/36156.
Для улучшения распределения энергии и повышения эффективности в реакторе 12 технологический газ разделяется между инжекторами 17а и 17b в соотношении примерно 30/70, причем большая часть относится к нижним инжекторам 17b.
В зоне 16с, под зонами 16а и 16b, природный газ, например метан, вдувается в реактор 12 посредством соответствующих инжекторов 17с.
Горячий восстановительный газ образуется в зонах 16а и 16b благодаря риформингу с автокатализом, при этом более горячий восстановительный газ образуется в зоне 16с благодаря горячему разделению природного газа.
Реактор 12 снабжен верхней выходной трубой 19, через которую выходит весь введенный газ после того, как он был использован.
Восстановительный газ проходит через материал, содержащий железо и окись железа, и осаждает на нем углерод достаточно управляемым способом как путем дозирования вдувания газов, так и благодаря горячему разделению природного газа.
Под зоной 16с расположена зона 20 науглероживания, в которую проходит материал с углеродом, осажденным на его поверхности, под действием силы гравитации; из зоны 20 углерод распространяется внутрь и вступает в соединения с металлическим железом для получения карбидов железа в форме FeC, Fe2C, Fе3С. Они выходят из реактора 12, оставаясь горячими, то есть при температуре примерно 550-650°С, через нижнюю трубу 22.
Материал остается в зоне 20 в течение указанного периода времени, между одним и двумя часами, предпочтительно в течение полутора часов; период времени и выходящий поток материала регулируются при помощи соединительного устройства 24, которое может быть образовано клапаном для твердых частиц (как показано на чертеже) или просто трубой, причем в обоих случаях они расположены под трубой 22.
Все еще горячий материал проходит через клапан 24 в контейнер 26 для охлаждения и пассивирования, расположенный под реактором 12.
Контейнер 26 содержит в свою очередь верхнюю трубу 28, соединенную с соединительным устройством 24, цилиндрическую зону 30, в которую через трубы 31 вдувается охлаждающий и пассивирующий газ, содержащий, например, метан до примерно 60-65%, H2 до примерно 20-25%, СО до примерно 6-8% и CO2 до примерно 6-8%, и предпочтительно содержащий примерно 1-3% водяного пара и/или примерно 1-2% кислорода.
В случае, если соединительное устройство образовано клапаном 24 для твердых частиц, последний также имеет функцию предотвращения прохода вверх охлаждающего газа, используемого в контейнере 26, по направлению к зоне реакции 20 и отделения зоны реакции от зоны охлаждения, чтобы предотвратить давление сверху на нижележащий продукт очень высокого столба материала.
Охлаждающий и пассивирующий газ также входит в контейнер 26 через устройство 33, расположенное в конической зоне 32, где он распределяется в радиальном направлении, чтобы войти в контакт с материалом и создать тонкое покрытие из окиси, которое защищает карбид железа от воздействия воздуха и/или влаги, которая накапливается в окружающей среде.
Карбид железа выгружается посредством нижнего разгрузочного устройства 34, такого, как вибрационный питатель, решетчатый или качающийся колосник любого типа, известного в области техники и не показанного на чертеже подробно. Устройство 34 синхронизировано с клапаном 24 для твердых частиц, так что количество материала внутри контейнера 26 остается преимущественно постоянным.
В случае, если соединительное устройство 24 образовано трубой, которая соединяет трубу 22 с трубой 28, контроль потока материала, который проходит из реактора 12 в контейнер 26, выполняется непосредственно нижним разгрузочным устройством 34.
Очевидно, что модификации и дополнения к устройству 10 могут быть выполнены, как описано выше, но они должны оставаться в пределах области техники и объема изобретения.
Также очевидно, что хотя это изобретение описано со ссылкой на конкретный пример, специалисту в этой области техники понятно, что возможны другие его эквивалентные формы, лежащие в пределах области техники и объема изобретения.
1. Устройство гравитационного типа для получения карбида железа прямым восстановлением из окиси железа, содержащее реактор (12) для восстановления окиси железа в металлическое железо с последующим науглероживанием и превращением в карбид железа в любой из его форм FеС, Fе2С, Fе3С или в их смесь, отличающееся тем, что под реактором (12) расположен контейнер (26) для охлаждения и пассивирования карбида железа, а между реактором (12) и контейнером (26) расположено соединительное устройство (24) для регулирования прохода горячего карбида железа из реактора (12) в контейнер (26).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединительное устройство содержит клапан (24) для твердых частиц.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что с нижней частью контейнера (26) соединено устройство (34) для выгрузки холодного продукта, синхронизированное с соединительным устройством (24).
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединительное устройство (24) выполнено в виде трубы, соединяющей реактор (12) с контейнером (26) для охлаждения и пассивирования, причем контроль потока материала, который проходит из реактора (12) в контейнер (26) для охлаждения и пассивирования, производится непосредственно разгрузочным устройством (34).
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реактор (12) снабжен, по меньшей мере, двумя входными отверстиями (17а, 17b) для восстановительного газа для улучшения распределения газа и энергии внутри реактора.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реактор (12) содержит зону восстановления (16), непосредственно под которой расположены устройства (17с) для ввода природного газа для улучшения теплового потока к восстановленному железу и осаждения углерода на поверхность металла, а также для обеспечения постоянного контроля указанного осаждения.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реактор (12) содержит достаточно большую коническую зону (20), в которой материал остается в течение времени от одного до двух часов при температуре между 550 и 650°С для того, чтобы углерод, осажденный в зоне (16с) вдувания природного газа, мог распространятся и вступать в соединения с металлическим железом для образования карбидов железа.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер (26) для охлаждения и пассивирования содержит цилиндрическую зону (30) и, по меньшей мере, диффузионное устройство (33), расположенное под цилиндрической зоной (30) и приспособленное для диффузии охлаждающего газа для охлаждения продукта посредством прямого контакта на участке между цилиндрической зоной (30) и диффузионным устройством (33) от примерно 550-650 до примерно 90°С.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что контейнер (26) для охлаждения и пассивирования также содержит разгрузочное устройство (34), расположенное под диффузионным устройством (33) на расстоянии, достаточном для того, чтобы дать возможность карбиду железа охладиться далее до примерно 50°С перед выходом из контейнера (26).
10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что охлаждающий газ содержит, по меньшей мере, примерно 1-3% водяного пара и/или 1-2% кислорода для создания тонкого покрытия из окиси материала, полностью пассивируя его.
11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что соединительное устройство (24) выполнено с возможностью прохода науглероженного материала в контейнер (26) для охлаждения и пассивирования, предотвращения попадания охлаждающего газа в коническую зону (20).
