Способ прямого восстановления металлов с получением синтез-газа и агрегат для его осуществления

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению металла в жидкофазных агрегатах непрерывного действия и к газификации твердого топлива. Изобретение позволяет создать условия для более гибкого с малой зависимостью от технологии получения металла управления составом отходящих газов за счет разделения потоков, металла, шлака и газа, а также обеспечение коррекции состава газа, отходящего от технологического агрегата, до параметров кондиционного синтез-газа и снижение энергетических затрат за счет последовательного соединения в единый технологический поток металлургического агрегата, шлакоприемника и камеры коррекции состава газа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению металла в жидкофазных агрегатах непрерывного действия, и к газификации твердого топлива.

Известен ряд процессов и агрегатов жидкофазного восстановления, в которых наряду с металлом попутно получается энергетический газ. Наиболее характерными из них являются процессы и агрегаты Корекс и Ромелт [1, 2]. В агрегате Корекс [1] восстановление оксидов осуществляется в два этапа: в первом агрегате осуществляется твердофазное восстановление оксидов, этот полупродукт передается шнековыми питателями во второй агрегат жидкофазного действия, в котором получают чугун. Этот второй агрегат называют плавильным газификатором, так как в нем наряду с чугуном получают горючий газ. Однако из-за тесной связи с технологией этот газ имеет относительно низкую калорийность, в связи с чем доведение его состава до состава синтез-газа весьма затруднено. Он используется для энергетических целей.

Этот процесс и агрегат доведен до промышленной реализации, однако отличается достаточно сложной конструкцией, большой капиталоемкостью и энергоемкостью. Сложность конструкции в значительной степени определяется наличием шнекового транспорта полупродукта, что является также причиной дополнительных энергозатрат, а также тем, что процессы во втором, жидкофазном, агрегате находятся близко к состоянию термодинамического равновесия, а металл, шлак и газ длительное время находятся в контакте друг с другом, поэтому в этом агрегате управление составом газа без серьезного вмешательства в технологию невозможно.

В процессе Ромелт [2] все процессы прямого восстановления совмещены в одном агрегате, однако процессы так же, как и в агрегате Корекс, находятся близко к состоянию термодинамического равновесия, поэтому здесь также можно получать только чугун и практически невозможно варьировать составом газа без ущерба для основной технологии. Здесь можно лишь дожигать часть оксида углерода для улучшения теплового баланса и использовать газ для энергетических целей.

Процесс газификации угля в специальных агрегатах [3] имеет достаточно высокую капиталоемкость и стоимость, при этом получаемый газ имеет относительно низкую калорийность, что затрудняет его преобразование в синтез-газ и требует больших энергетических затрат.

Известные агрегаты для получения синтез-газа из природного газа [4, 5] весьма сложны и капиталоемки, а себестоимость природного газа при этом довольно высока и продолжает расти.

Наиболее близким к предлагаемому является [6] способ получения металлов из рудных материалов, включающий подачу в реакционную камеру сыпучих материалов, ввод кислорода и восстановителя, полный перевод металла и шлака в пенистую эмульсию, создание в реакционной камере повышенного пульсирующего давления в пределах 0,4-3,0 МПа и значительного отклонения системы от термодинамического равновесия путем организации истечения двухфазной среды из реакционной камеры в рафинирующий отстойник с критической скоростью, разделение в рафинирующем отстойнике металла и шлака и отвод газа через высокий слой эмульсии.

Этот способ реализуется в агрегате [6], содержащем сферическую реакционную камеру с устройством подачи сыпучих материалов и устройством для подачи спутных потоков кислорода и газообразного или пылевидного восстановителя навстречу друг другу, соединительный канал, рафинирующий отстойник, соединенный наклонной шлаковой леткой со шлакоприемником и имеющий фурму, встречно расположенную с соединительным каналом, копильник с леткой для отвода металла и устройство для подачи углеродосодержащих сыпучих материалов.

Этот способ и агрегат имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с рассмотренными выше [1, 2]: малый удельный объем агрегата, низкая капиталоемкость и энергоемкость, высокие скорости химических реакций в условиях значительного отклонения процессов от термодинамического равновесия.

Однако в этом агрегате состав получающегося газа достаточно тесно связан с металлургической технологией, его калорийность сильно колеблется в зависимости от характера технологического процесса, он не корректируется в синтез-газ и поэтому чаще всего просто выбрасывается в атмосферу, при этом теряется и физическая, и химическая энергия газа, составляющая 40-50% теплового баланса.

Задачей изобретения является создание условий для более гибкого с малой зависимостью от технологии получения металла, управления составом отходящих газов за счет разделения потоков, металла, шлака и газа, а также обеспечение коррекции состава газа, отходящего от технологического агрегата, до параметров кондиционного синтез-газа и снижение энергетических затрат за счет последовательного соединения в единый технологический поток металлургического агрегата, шлакоприемника и камеры коррекции состава газа.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе прямого восстановления металлов с получением синтез-газа, включающем подачу в реакционную камеру сыпучих материалов в виде рудной смеси оксидов металлов и угля, ввод кислорода и топлива-восстановителя, полный перевод образовавшихся металла и шлака в двухфазную среду в виде пенистой эмульсии, создание в реакционной камере повышенного пульсирующего давления в пределах 0,4-3,0 МПа и отклонения системы от термодинамического равновесия путем организации истечения двухфазной среды из реакционной камеры в рафинирующий отстойник с критической скоростью, разделение в нем металла и шлака и отвод газа через высокий слой эмульсии, восстановление металлов из руд и золы угля ведут одновременно с газификацией угля, кислород и топливо-восстановитель вводят в реакционную камеру через встречно расположенные фурмы спутными потоками, а соотношение кислорода, включая кислород, содержащийся в восстанавливаемых оксидах, и восстановителя, подаваемого в реакционную камеру и рафинирующий отстойник, включая уголь, подаваемый в смеси с шихтой, рассчитывают из условия стехиометрии, обеспечивающей окисление твердого углерода до СО или конверсию природного газа до СО и Н₂, а для получения кондиционного синтез-газа, пригодного для переработки в диметиловый эфир или метанол, его состав доводят в камере коррекции состава газа, имеющей решетку, на которой расположен постоянно пополняемый слой кокса или угля, при этом под решетку камеры подают пар, а над решеткой подают природный газ и кислород, обеспечивая при этом объемное отношение СО к Н₂, в получаемом газе 2/3 или 1/2 соответственно.

Способ осуществляется в агрегате для прямого восстановления металлов с получением синтез-газа, содержащем сферическую реакционную камеру с устройством подачи сыпучих материалов в виде рудной смеси оксидов металлов и угля и устройством для подачи спутных потоков кислорода и газообразного или пылевидного восстановителя навстречу друг другу, соединительный канал, рафинирующий отстойник, соединенный наклонной шлаковой леткой со шлакоприемником и имеющий фурму, встречно расположенную с соединительным каналом, копильник с леткой для отвода металла и устройство для подачи углеродосодержащих сыпучих материалов, причем реакционная камера, рафинирующий отстойник и шлакоприемник последовательно соединены, шлакоприемник снабжен валковым гранулятором шлака и установленной над ним и совмещенной с ним камерой коррекции состава газа, имеющей канал для отвода части газа из-под купола рафинирующего отстойника, фурмы для подачи природного газа и кислорода и канал для отвода получаемого синтез-газа в котел-утилизатор и газоочистку, причем камера коррекции состава газа соединена со шлакоприемником отверстием с охлаждаемой решеткой, под которой установлены фурмы для подачи пара.

Сущность изобретения, следовательно, сводится к тому, что для решения задачи необходимо изменение конструкции агрегата таким образом, чтобы она позволяла разделить потоки шлака и газа и обеспечить путем подачи пара, пропускаемого через слой угля или природного газа, коррекцию состава получаемого газа до параметров кондиционного синтез-газа.

Способ прямого восстановления металлов с получением синтез-газа реализуется в представленном на чертеже агрегате.

Агрегат включает сферическую реакционную камеру 1 с устройством 2 подачи сыпучих материалов и устройством 3 для подачи спутных потоков кислорода и газообразного или пылевидного восстановителя навстречу друг другу, соединительный канал 4, рафинирующий отстойник 5 с фурмой 6, встречно расположенной с соединительным каналом 4, копильник 7 с леткой 8 для отвода металла в ковш 9, устройством 10 для подачи углеродосодержащих сыпучих материалов, рафинирующий отстойник 5 соединен наклонной шлаковой леткой 11 со шлакоприемником 12, снабженным валковым гранулятором шлака 13, а над шлакоприемником установлена камера 14 коррекции состава газа, соединенная со шлакоприемником 12 отверстием с охлаждаемой решеткой 15, под решеткой установлены фурмы 16 для подачи пара, а камера 14 коррекции состава газа снабжена фурмами 17 для подачи природного газа и фурмами 18 для подачи кислорода, эта камера 14 соединена каналом 19 для отвода части газа из-под купола рафинирующего отстойника, она имеет устройство 20 для подачи угля или кокса и канал 21 для отвода получаемого товарного газа в котел-утилизатор 22 и газоочистку 23.

Способ в соответствии с поставленной задачей осуществляется следующим образом.

Порошкообразная шихта, состоящая из смеси оксидов железа и других металлов, вместе с углем, играющим роль восстановителя и топлива, устройством 2 подается в центральную зону реакционной камеры 1, где в месте встречи спутных потоков кислорода и, например, природного газа, подаваемых через устройства 3, образуется диск уплотнения, на котором в результате динамического взаимодействия струй происходит интенсивная турбулизация потока шихты и образование больших поверхностей для гетерогенного химического взаимодействия. При этом за счет неполного сжигания в реакционной камере 1 части угля, природного газа или другого восстановителя в соответствии с долей поданного кислорода происходит нагрев и частичное восстановление оксидов.

Общее соотношение восстановителей и кислорода, подаваемых в реакционную камеру 1 и рафинирующий отстойник 5, рассчитывают из условия получения в верхней части рафинирующего отстойника 5 состава газа с содержанием суммы СО и H₂ в пределах 70-90%, что обусловлено тепловым балансом, связанным с химическим составом металлической руды и ее относительным количеством в шихте, а также необходимой полнотой восстановления. Коррекцию состава газа осуществляют путем дополнительной подачи угля или кокса из устройства 10 на верхний слой эмульсии.

В предлагаемом изобретении, в частности, возможна переработка, то есть газификация, 100% угля без добавки руды или с минимальной добавкой ее лишь с целью снижения температуры процесса и получения пенистой шлаковой эмульсии. При таком варианте технологии осуществляется восстановление металлов (железа, марганца, титана и др.) из золы угля. В этом случае состав газа по сумме СО и Н₂ приближается к 90%. В этом варианте предлагаемый агрегат превращается в газификатор, но имеющий существенное преимущество перед известными газификаторами в том, что в нем наряду с газификацией осуществляется извлечение металлов из золы угля и составляющих шлаковой эмульсии, а также получается высокопористый легкогранулируемый шлак, который может использоваться в качестве адсорбента или сырья для производства цемента.

Образовавшаяся в реакционной камере 1 газовзвесь с объемным газосодержанием 0,98-0,99 через соединительный канал 4 подается в нижнюю часть рафинирующего отстойника 5 над верхним срезом копильника 7. При этом выходящая из соединительного потока двухфазная струя играет роль своеобразной динамической подушки или провальной решетки, отделяющей столб пенной газошлаковой эмульсии, играющей одновременно роль мокрой газоочистки, а также сепаратора шлака и металла, накапливающегося в копильнике 7, благодаря опусканию по вертикальным пристенным слоям капель металла, получающихся в результате восстановительных процессов в газошлаковой эмульсии. Таким образом, с учетом противодействия гравитационных и аэродинамических сил в рафинирующем отстойнике 5 происходит сепарация металла и шлака, а также образуется неравномерное (по плотности, газосодержанию и химсоставу) распределение параметров по высоте этого агрегата. Распределенность содержания оксидов металлов по высоте обуславливается также термодинамически неравновесным характером процессов, протекающих в реакционной камере 1 и рафинирующем отстойнике 5, в том числе интенсивными потоками вещества и энергии, поступающими снизу через соединительный канал 4 из реакционной камеры 1.

Таким образом, использование в качестве рафинирующего отстойника вертикального колонного реактора с нижней подачей реакционной газовзвеси в сочетании с существенным отклонением процессов от термодинамического равновесия является важнейшим фактором, который обуславливает возможность разделения потока металла, оседающего в копильнике 7, и потока газошлаковой эмульсии, отводимой по наклонному каналу 11 в шлакоприемник 12, где осуществляется разделение шлака и газа. Для доведения состава попутного технологического газа, поступающего из шлакоприемника 12 через охлаждаемую решетку 15 в камеру 14 коррекции состава газа, до кондиционного состава синтез-газа, пригодного для переработки в диметиловый эфир или метанол, под решетку 15 с расположенным на ней постоянно пополняемым с помощью устройства 19 слоем кокса или угля, подают пар, а над решеткой 15 в камеру 14 коррекции состава газа подают природный газ и кислород, обеспечивая при этом объемное отношение СО к Н₂ в получаемом газе 2/3 или 1/2 соответственно для получения диметилового эфира или метанола. Полученный при этом синтез-газ из камеры 14 через канал 21 подается в охладитель (например, котел-утилизатор) 22, газоочистку 23 и затем потребителю, например в агрегат каталитического синтеза диметилового эфира или метанола или для энергетических целей. Но в последнем случае добавка природного газа в камеру 14 не обязательна, так как в этом случае не обязательно соблюдение соотношения СО к H₂. Шлам, образующийся в газоочистке 23, рециркулируется в технологический процесс, что позволяет получить бездымную технологию.

Преимущество данного изобретения по сравнению с прототипом заключается в том, что использование в качестве топлива и восстановителя угля и установка последовательно с рафинирующим отстойником 5 камеры 14 коррекции состава газа, совмещенной со шлакоприемником 12 и гранулятором шлака 13, дает ряд дополнительных эффектов. Прежде всего появляется возможность гибкого (практически независимого) управления составом газа на выходе из рафинирующего отстойника 5 и на выходе из агрегата в целом, точнее из камеры 14. Совмещение газификатора угля (камера 14) с металлургическим агрегатом (реакционная камера 1 и рафинирующий отстойник 5) и шлакоприемником 12 позволяет использовать физическое тепло попутного газа и шлака для увеличения калорийности и количества товарного газа. Таким образом, на основе камеры 14 получают химический утилизатор физического тепла. Если же получать газ в специальном газификаторе (газогенераторе), то значительное количество тепловой энергии тратится на поддержание температуры (800-1000°С) в очаге газификации [3]. Повышенное давление, создаваемое в реакционной камере 1, позволяет проталкивать реакционный газ через все элементы агрегата, следствием чего является малый удельный объем агрегата и исключается необходимость использования побудителей расхода и дымососов.

Наиболее важным преимуществом совмещения пароугольного газификатора (камера 14) с металлургическим агрегатом является возможность превращения попутного технологического газа в кондиционный синтез-газ, пригодный для получения моторного топлива и создания бездымной энергометаллургической технологии, так как отходящий газ (дым) превращается в полезный товарный продукт.

Вариант реализации изобретения рассматривается на примере прямого восстановления железа с одновременным получением синтез-газа в пилотном образце агрегата производительностью по руде 1 кг/с или 3,6 тоны/час. Способ реализуется в агрегате, представленном на чертеже, следующим образом. Железная руда, имеющая следующий состав по основным компонентам, %:

Таблица 1
FeO	Fe2O3	MnO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	P2O5
22,02%	48,28%	0,52%	11,70%	7,05%	1,60%	2,83%	0,26%

и уголь следующего химического состава

Таблица 2
С	S	Влага	Зола	Летучие
68,43%	0,59%	8,00%	10,90%	20,08%

с помощью вертикального шнекового питателя-дозатора 2 подаются в сферическую реакционную камеру 1. Массовый расход руды составляет 1 кг/с, а массовый расход твердого восстановителя 0,4 кг/с. Этот поток шихты попадает на диск уплотнения, который создается в центре камеры, в месте встречи спутных потоков кислорода и газообразного или жидкого топлива-восстановителя, образуемых устройствами 3. В результате взаимодействия вертикального потока сыпучих материалов с диском уплотнения и встречными спутными потоками создается высокая степень турбулизации и образуется газовзвесь с объемным газосодержанием 0,98-0,99, которая через соединительный канал 4 подается в рафинирующий отстойник 5.

Существование критической скорости истечения двухфазной среды и зависимость скорости этой среды от ее газосодержания позволяет использовать соединительный канал 4 в качестве динамического затвора. За счет изменения диаметра соединительного канала 4, а также соотношения притока и стока веществ можно изменять рабочее давление в реакционной камере 1, которое в данном случае меняется в диапазоне 2-3 атмосферы.

Сжигание топлива в реакционной камере 1 осуществляется с недостатком кислорода, здесь происходит нагрев и частичное восстановление оксидов, но главная задача, решаемая в этой камере, - создание газовзвеси.

Большая часть восстановительных процессов завершается в рафинирующем отстойнике 5. Здесь же осуществляется частичное дожигание оксида углерода до диоксида. При этом дожигание происходит внутри газошлаковой эмульсии путем подачи кислорода через фурму 6.

Сначала рассмотрим вариант процесса по прототипу.

Общий расход кислорода выбирается в соответствии с тепловым балансом и составляет порядка 0,525 кг/с. Для балансирования процесса по температуре изменяется степень дожигания СО и количество газообразного кислорода.

При этом приоритет отдается получению металла и шлака заданного состава, который представлен в приведенной ниже таблице 3.

Таблица 3
Металл	Итого	Fe	С	Mn	Si	S
%	100,0%	99,01%	0,50%	0,49%	0,00%	0,00%	0,00%
кг/с	0,532	0,526	0,003	0,003	0,000	0,000	0,000
Шлак	Итого	FeO	Fe2O3	CaO	SiO2	Al2O3	MgO
%	100%	5,19%	0,00%	40,93%	37,21%	9,99%	4,87%
кг/с	0,403	0,021	0,000	0,165	0,150	0,040	0,020
Газ	Итого	CO	CO2	N2	H2	Н2О	O2
%	100%	25,44%	62,04%	0,73%	0,54%	11,25%	0,00%
кг/с	1,059	0,269	0,657	0,008	0,006	0,119	0,000

Здесь за счет добавки кислорода в рафинирующий отстойник осуществлялось почти полное дожигание Н₂ и дожигание СО до 25%. В этом случае получаются достаточно удовлетворительные экономические показатели по выплавке металла, но газ является практически бросовым. Можно использовать лишь его физическое тепло. Нами же поставлена задача получения наряду с металлом также кондиционного синтез-газа.

Эта задача решается следующим образом.

При добавлении угля сверх необходимого для металлургической технологии в системе отходящих газов естественно получается избыточное тепло. Балансирование системы по теплу достигается за счет снижения степени дожигания СО и Н₂.

Далее ставится задача превращения полученного газа в более калорийный газ путем использования физического тепла газа и шлака (который необходимо перед грануляцией охлаждать паром или водой) для осуществления следующих химических реакций:

При наличии свободного кислорода, кроме того, могут протекать следующие реакции, что сопровождается увеличением расхода газа и повышением температуры.

Операция коррекции состава газа осуществляется в камере 14, расположенной над шлакоприемником 12, газ из которого вместе с вдуваемым паром проходит в камеру 14 через водоохлаждаемую решетку 15, на которой создается постоянно пополняемый слой кокса или угля.

Близким к оптимальному является вариант, когда технологический газ имеет состав по основным компонентам: 50% СО и 50% Н₂. Такой состав продуктов горения часто рационален и с точки зрения технологии (полноты восстановления железа), и с точки зрения теплотехники (дальнейшего теплоиспользования). В этом случае при подаче в камеру 3-х молей Н₂О и 3-х молей С можно получить газ с составом 3СО+3H₂, то есть получаем утроенный объем газа с отношением СО/H₂, равным 1/1, что достаточно близко к составу кондиционного синтез-газа.

Теперь вопрос в том, хватит ли физического тепла для того, чтобы в камере 14 коррекции газа температура оказалась не ниже 600-800°С, то есть, чтобы кокс оставался раскаленным. Для решения этой задачи проведены термодинамические расчеты по коррекции состава попутного технологического газа с помощью программно-инструментальной системы на основе базы данных "Астра" [7, 8]. Расчеты осуществлялись в следующей последовательности.

Сначала с помощью этой системы были получены термодинамически приемлемые условия и составы металла, шлака и газа для расхода руды 1 кг/с. При расходе угля 0,674 кг/с и расходе кислорода 0,382 кг/с получен металл с содержанием углерода 0,52% и температурой 1878 К, а также отходящий газ в количестве 1,06 кг/с, состав которого приведен ниже в таблице 4.

Таблица 4
Содержание, %	СО	CO2	Н2	Н2О	N2	СН4
По массе	1,06	92,83	3,21	2,14	1,74	0,02	0,00
По объему	1,41	72,78	1,60	23,49	2,13	0,01	0,00

Этот газ в тесном контакте со шлаком (в виде газошлаковой эмульсии) по каналу 11 поступает в шлакоприемник 12, куда навстречу шлаковому потоку через фурму 16 вдувается пар. За счет тепла шлака пар нагревается со 150 до 700°С и через решетку 15 вместе с технологическим газом, отсепарированным от шлака и имеющим температуру 1500°С, непрерывно поступает в слой угля (кокса) в камере 14. В этом слое и над ним протекают реакции (1)-(3) в условиях избытка углерода.

В таблице 5 приведены вариантные расчеты коррекции газа, состав которого представлен в таблице 4, за счет его взаимодействия с углем и паром.

Таблица 5
Управляющие воздействия	Объемный состав газа, %	Отношение СО/Н2
№	Уголь, кг/с	Пар, кг/с	Тг, °К	Масса газа, кг/с	СН4	СО	CO2	Н2	H2O
1	0,2	0,3	1100	1,53	0,42	60,47	3,18	34,11	1,82	1,77/1
2	0,25	0,375	1065	1,65	0,62	56,16	5,08	35,27	2,87	1,59/1
3	0,3	0,45	1042	1,73	0,81	52,32	6,79	36,21	3,87	1,44/1

Поскольку уголь в слое находится в избытке, то управление осуществляется изменением количества подаваемого пара. Как видно из таблицы 5, в третьем варианте управления удалось повысить соджержание Н₂ с 23,49 до 36,21%, а содержание СО снизить с 72,78 до 52,32%. Однако движение в этом направлении (коррекция за счет угля и пара) становится неэффективным, поскольку из-за снижения температуры в камере 14 растет содержание СО₂ и Н₂О.

Поэтому дальнейшая коррекция состава газа осуществляется за счет кислородного реформинга метана CH₄, подаваемого в камеру 14 через фурму 17, и кислорода, подаваемого через фурму 18, по реакции:

Как видно из реакции и из таблицы 6 (варианты 1 и 2), при этом в образующейся смеси газов растет содержание Н₂ с одновременным небольшим повышением температуры смеси.

Таблица 6
Управляющие воздействия	Объемный состав газа, %	Отношение СО/Н2
№	Уголь, кг/с	Пар, кг/с	СН4, кг/с	O2, кг/с	Тг, °К	Масса газа, кг/с	СН4	СО	CO2	Н2	H2O
1	0,3	0,45	0,20	0,20	1051	2,12	1,09	46,88	4,56	43,83	3,64	1,07/1
2	0,3	0,45	0,25	0,25	1053	2,22	1,13	45,95	4,22	45,13	3,57	1/1
3	0,3	0,45	0,45	0,25	1006	2,22	2,37	34,13	5,82	51,4	6,26	2/3
4	0,3	0,45	0,60	0,25	980	2,20	3,52	27,40	6,40	54,52	8,15	1/2

Как видно из второго варианта термодинамического расчета (таблица 6), получен синтез-газ с объемным отношением СО/Н₂, близким к 1/1, точнее 45,95/45,13, что уже можно считать хорошим результатом, поскольку получен высококалорийный газ, который может использоваться и как энергетическое топливо, и как сырье для получения синтетического топлива. Однако при таком составе газа синтетическое топливо в агрегате каталитического синтеза, например, будет получено в меньшем количестве и худшего качества (за счет разбавления непрореагировавшими балластными составляющими), чем это возможно в случае соблюдения оптимального стехиометрического соотношения. Для получения диметилового эфира (синтетического дизельного топлива) в соответствии с его стехиометрической формулой СН₃-О-СН₃ оптимальным является соотношение СО/Н₂, равное 2/3.

Ставим задачу в соответствие с формулой изобретения получить отношение СО/Н₂, равное 2/3.

Учитывая (см. табл.6, вариант 2), что некоторый запас по температуре газа имеется (1053 К), принимаем решение конечный этап коррекции состава газа достичь за счет температурного реформинга метана по реакции:

Как видно из сравнения вариантов 2 и 3 (таблица 6), решение задачи достигнуто за счет увеличения расхода метана на 0,2 кг/с без увеличения расхода кислорода. При этом получен газ с объемным содержанием СО и H₂ соответственно 34,14 и 51,4, что как раз отвечает соотношению СО/Н₂, равному 2/3.

Аналогичным образом путем температурного реформинга метана по реакции (7) получено соотношение СО/Н₂, равное 1/2, оптимальное для получения метанола. Решению этой задачи отвечает вариант 4 в таблице 6, который достигается путем увеличения расхода метана на 0,15 кг/с при прочих равных условиях. При этом получен газ с содержанием СО и H₂ соответственно 27,40 и 54,52, что достаточно близко к оптимальному соотношению для получения метанола.

Таким образом, представленный пример подтверждает реализуемость изобретения.

На основе рассмотренного примера подчеркнем еще раз преимущества, достигнутые при реализации данного изобретения.

Совмещение прямого восстановления металлов из оксидов с газификацией угля с учетом предложенного способа и конструкции агрегата позволяет:

- создать бездымный энергометаллургический агрегат, в котором отходящий газ превращается в полезный товарный продукт;

- избежать необходимости применения дымососов или других высокотемпературных побудителей расходов, так как из-за высокого потенциала давления, создаваемого в реакционной камере, и полной замкнутости процесса от атмосферы имеется возможность проталкивать газ через любые устройства, устанавливаемые за технологическим агрегатом;

- полностью использовать химическую и физическую энергии попутного технологического газа, получив на основе камеры 14 химический утилизатор тепла, при этом получается удвоенное количество товарного газа (2,22 вместо 1,06 кг/с) по сравнению с исходным, а его теплотворная способность при этом возрастает с 6432 до 20832 кДж/кг с затратами природного газа всего около 20% от массы получаемого газа;

- для получения технологического газа требуется в два раза меньше газообразного кислорода, чем при обычной газификации, так как половина кислорода берется из оксидов металлов, например, по реакциям:

или ;

- в связи с тем, что при паровоздушной газификации используется горячий газ (порядка 1600°С), к тому же при повышенном давлении, конструкция газификатора-реформера (камера 14) предельно упрощается, а энергозатраты на газификацию и реформирование газа существенно сокращаются;

- при восстановлении марганца в результате применения данного изобретения может быть получен еще более высокий эффект, так как в этом случае для обеспечения восстановительной атмосферы отходящий технологический газ должен иметь суммарное содержание СО и H₂ около 90%.

Источники информации

1. Х.Б.Люнген, К.Мюльхаймс, Р.Штеффен. Современное состояние процессов прямого восстановления и восстановительной плавки железных руд. // Черные металлы. - 2001. №10. - с.20-35.

2. Роменец В.А., Вегман Е.Ф., Сакир Н.Ф. Процесс жидкофазного восстановления. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1993. - №7. с.9-19.

3. Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. / Пер. с нем. и ред. С.Р. Исламова. - М.: Недра. - 1986. - 175 с.

4. Терентьев Г.А., Тюков В.М., Смаль Ф.В. Моторное топливо из альтернативных сырьевых ресурсов. - М.: Химия. - 1989. - 271 с.

5. Платэ Н. Синтетический бензин. // Наука и жизнь. - 2004. - №11. - с.66-68.

6. Пат. Россия 2272849 С1. Способ получения металлов из рудных материалов и агрегат для его осуществления. / В.П.Цымбал, С.П.Мочалов. - 2004122183/02; Заявлено 19.7.2004; Опубл. 27.3.2006, Бюллетень РСТ, Бюл. 9; Приоритет 19.7.2004. - 12 с.:ил.

7. Синярев Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г. и др. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. - М.: Наука. - 1982. - 260 с.

8. Климов В.Ю., Мочалов С.П., Рыбенко И.А. Разработка автоматизированной системы расчета и оптимизации технологий процессов получения металлов и сплавов. // Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии: Труды Всероссийской научно-практической конференции. - Новокузнецк: Изд. СибГИУ. - 2001. - с.435-439.

1. Способ прямого восстановления металлов с получением синтез-газа, включающий подачу в реакционную камеру сыпучих материалов в виде рудной смеси оксидов металлов и угля, ввод кислорода и топлива-восстановителя, полный перевод образовавшихся металла и шлака в двухфазную среду в виде пенистой эмульсии, создание в реакционной камере повышенного пульсирующего давления в пределах 0,4-3,0 МПа и отклонения системы от термодинамического равновесия путем организации истечения двухфазной среды из реакционной камеры в рафинирующий отстойник с критической скоростью, разделение в нем металла и шлака и отвод газа через высокий слой эмульсии, отличающийся тем, что восстановление металлов из руд и золы угля ведут одновременно с газификацией угля, кислород и топливо-восстановитель вводят в реакционную камеру через встречно расположенные фурмы спутными потоками, а соотношение кислорода, включая кислород, содержащийся в восстанавливаемых оксидах, и восстановителя, подаваемого в реакционную камеру и рафинирующий отстойник, включая уголь, подаваемый в смеси с шихтой, рассчитывают из условия стехиометрии, обеспечивающей окисление твердого углерода до СО или конверсию природного газа до СО и Н₂, а для получения кондиционного синтез-газа, пригодного для переработки в диметиловый эфир или метанол, его состав доводят в камере коррекции состава газа, имеющей решетку, на которой расположен постоянно пополняемый слой кокса или угля, при этом под решетку камеры подают пар, а над решеткой подают природный газ и кислород, обеспечивая при этом объемное отношение СО к Н₂ в получаемом газе 2/3 или 1/2 соответственно.

2. Агрегат для прямого восстановления металлов с получением синтез-газа, содержащий сферическую реакционную камеру с устройством подачи сыпучих материалов в виде рудной смеси оксидов металлов и угля и устройством для подачи спутных потоков кислорода и газообразного или пылевидного восстановителя навстречу друг другу, соединительный канал, рафинирующий отстойник, соединенный наклонной шлаковой леткой со шлакоприемником и имеющий фурму, встречно расположенную с соединительным каналом, копильник с леткой для отвода металла и устройство для подачи углеродосодержащих сыпучих материалов, причем реакционная камера, рафинирующий отстойник и шлакоприемник последовательно соединены, отличающийся тем, что шлакоприемник снабжен валковым гранулятором шлака и установленной над ним и совмещенной с ним камерой коррекции состава газа, имеющей канал для отвода части газа из-под купола рафинирующего отстойника, фурмы для подачи природного газа и кислорода и канал для отвода получаемого синтез-газа в котел-утилизатор и газоочистку, причем камера коррекции состава газа соединена со шлакоприемником отверстием с охлаждаемой решеткой, под которой установлены фурмы для подачи пара.