Способ работы установки по производству железа и соответствующая производственная установка
Изобретение относится к способу получения угля и его использования в установке по производству железа и установке для осуществления процесса производства железа. Способ включает сушку отходов с использованием сушильного газа, содержащего отходящий газ из агломерационной установки, обжиг высушенных отходов, использование полученного угля в качестве сырья, вводимого в процесс производства железа. Установка содержит сушильное средство 2 для сушки отходов 1 с использованием сушильного газа 12, содержащее средство ввода для введения в него сушильного газа, средство 3 обжига для обжига высушенных отходов с получением угля и отходящего газа 19 обжига, агломерационную установку 4, производящую спеченный материал и отходящий газ 14 агломерации, первичные средства улавливания для улавливания отходящего газа агломерации, средства соединения для соединения первичных средств улавливания со средством ввода так, чтобы обеспечить подачу части отходящего газа 14 агломерации в сушильное средство 2, и установку 5 производства железа, выполненную с возможностью использования в ней полученного обожженного угля. Изобретение обеспечивает предотвращение выброса загрязняющих веществ в атмосферу, улучшение общего баланса углерода путем замещения ископаемого углерода, используемого в процессе производства железа, органическим углеродом. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способу работы установки по производству железа и к соответствующей установке.
Процесс производства железа, который может быть осуществлен в доменной печи или в печи прямого восстановления железа (печь DRI), работающей, например, по технологии MIDREX® или COREX®, всегда требует использования в качестве сырья углеродсодержащего материала. Этот углеродсодержащий материал может быть введен в виде распыленного угля, древесного угля, кокса или других форм.
В последние годы в рамках снижения выбросов CO2 существует большое число разработок, направленных на рециркуляцию углеродсодержащих отходов с целью замены упомянутых углеродсодержащих материалов. Этими углеродсодержащими отходами могут быть, например, древесина из районов строительства, отходы сельскохозяйственного или пищевого производства, твердые бытовые отходы или отходы промышленного производства. В нижеследующем описании будет использован термин отходы, и его следует понимать как углеродсодержащие отходы.
В патентном документе WO 2011/052796 описан способ использования биомассы, в частности, древесных отходов, полученных из отходов строительного или сельскохозяйственного производства, в качестве замены распыленного угля в доменной печи. В соответствии с этим способом биомассу высушивают во вращающейся сушильной печи для приготовления угля из биомассы, затем биомассу распыляют вместе с углем и вдувают через фурму в доменную печь. Отходящие газы вращающейся печи улавливают и направляют в нагреватель газа, который затем вновь подает эти газы во вращающуюся печь в качестве источника нагрева внешнего ряда.
В патентном документе EP1264901B1 (европейский патент, выданный компании Kobe Steel (Япония)) описан способ производства железа прямого восстановления, в соответствии с которым компоненты, содержащие органический материал, такие как древесина, смола, муниципальные твердые отходы или промышленные отходы, загружают в печь карбонизации вместе с оксидом железа, который используют в качестве теплоносителя. Продукт этой карбонизации затем агломерируют и используют в качестве восстанавливающего агента в печи восстановления. В описанном способе отходящие газы из печи восстановления используют в качестве горючего газа в печи карбонизации, в то время как газ перегонки, полученный в результате карбонизации, используют в качестве топлива для восстановительной печи.
В патентном документе US 2014/0306386 описан способ использования древесины в качестве топлива в доменной печи. В этом способе древесину доводят до заданного размера и высушивают, затем крупные частицы загружают в колошник доменной печи, а мелкие частицы подают в камеру сгорания. Горячие газы, выходящие из камеры сгорания, направляют в энергетическую установку или используют как источник теплоты для предварительного нагрева горячего дутья, также инжектируемого в доменную печь. Колошниковый газ, отведенный из доменной печи, используют как газообразный источник для горения.
В патентном документе JP 2009-057438 решается задача обеспечения способа приготовления материала, содержащего измельченный углерод, полученного в результате карбонизации биомассы. Полученный продукт карбонизации легко может быть превращен в тонкоизмельченный порошок, подходящий для вдувания в доменную печь, с достижением в то же время высокой эффективности извлечения энергии, заключенной в биомассе.
Однако ни в одном из упомянутых патентных документов не принята во внимание вариативность отходов. В этой связи следует отметить, что характеристики этих материалов могут варьировать от одной партии отходов к другой в отношении влажности и теплотворной способности. Следовательно, теплотворная способность отходящих газов процесса карбонизации также будет варьировать в зависимости от обжигаемых отходов, и в некоторых случаях полученные отходящие газы не будут выделять достаточное количество тепловой энергии для обжига следующей партии отходов. В этом случае может быть необходимым подвод энергии от внешнего источника.
В опубликованной патентной заявке DE19606575A1 описан способ обработки остаточного материала или отходов любого типа. Согласно этому патентному документу отходы предварительно обрабатывают в реакторе пиролиза, который может нагреваться за счет колошникового газа доменной печи. Подвергнутый обжигу материал затем разделяют на черные металлы и цветные металлы. Черные металлы после разделения направляют в измельчитель и затем вводят в доменную печь через фурму.
Указанные отходы могут, кроме того, содержать множество летучих соединений, которые загрязняют окружающую среду. Поэтому необходимо предусмотреть определенную стадию очистки отходящих газов с тем, чтобы извлечь эти летучие соединения и предотвратить их выброс в атмосферу.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ работы установки по производству железа, который не зависит от характеристик отходов, используемых в процессе производства железа, и обеспечивает предотвращение выброса загрязняющих веществ в атмосферу при отсутствии необходимости использования специально предназначенного для этого оборудования.
Другая, дополнительная задача изобретения заключается в улучшении общего баланса углерода путем замещения ископаемого углерода, используемого процессе производства железа, органическим углеродом.
В связи с этим изобретение относится к способу работы установки по производству железа, который включает следующие стадии:
а. сушка отходов с использованием сушильного газа, при этом сушильный газ содержит отходящий газ из агломерационной установки,
b. обжиг высушенных отходов с использованием газа обжига для получения угля и отходящего газа обжига.
Способ работы в соответствии с изобретением может, кроме того, включать следующие признаки, взятые по отдельности или в комбинации:
сушильный газ содержит по меньшей мере 50% отходящего газа из агломерационной установки,
способ дополнительно включает стадию рециркуляции по меньшей мере части отходящего газа обжига в агломерационную установку,
сушильный газ имеет температуру по меньшей мере 70ºС,
отходящий газ агломерационной установки, при его смешивании с другими компонентами для образования сушильного газа, имеет температуру в интервале от 100ºС до 150ºС,
обжиг осуществляют при температуре в интервале от 200ºС до 320ºС,
по меньшей мере часть отходящего газа обжига используют в качестве части сушильного газа,
отходящий газ обжига используют на стадии обжига в качестве части газа обжига,
после проведения стадии обжига уголь используется в качестве сырья в процессе производства железа,
после проведения стадии обжига осуществляют стадию измельчения угля, и измельченный уголь вдувают в доменную печь через фурму,
измельченный уголь имеет размер частиц менее 10 мкм,
по меньшей мере 4 мас.% твердого материала, вдуваемого через фурму, представляет собой измельченный уголь,
после проведения стадии сушки высушенный материал имеет влагосодержание менее 10%,
отходящий газ обжига вводят в процесс производства железа,
отходящий газ обжига направляют в энергетическую установку,
отходы представляют собой органические отходы,
органические отходы представляют собой древесные отходы.
Изобретение относится также к установке, содержащей:
а. сушильное средство, способное высушивать отходы с использованием сушильного газа и содержащее средство ввода для введения сушильного газа в сушильное средство,
b. средство обжига, способное обжигать высушенные отходы при температуре, находящейся в интервале от 200ºС до 320º, с использованием газа обжига, так чтобы получить уголь и отходящий газ обжига,
с. агломерационную установку, производящую спеченный материал и отходящий газ агломерации,
d. первичные средства улавливания, предназначенные для улавливания отходящего газа агломерации,
е. средства соединения, предназначенные для соединения первичных средств улавливания с упомянутым средством ввода так, чтобы обеспечить подачу части отходящего газа агломерации в сушильное средство.
Установка в соответствии с настоящим изобретением может также содержать ленточную сушилку, в качестве сушильного средства.
Установка в соответствии с настоящим изобретением может также содержать реактор пиролиза в качестве средства обжига.
Изобретение будет более понятным из нижеследующего описания со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 – пример установки для осуществления способа в соответствии с первым воплощением изобретения.
Фиг.2 – пример установки для осуществления способа в соответствии с другим воплощением изобретения.
Установка содержит сушильное оборудование 2, оборудование 3 обжига, агломерационную установку 4 и установку 5 производства железа. В другом воплощении установка может дополнительно содержать измельчитель 6. В нижеследующем описании установка 5 для производства железа представляет собой доменную печь 5, но она может также представлять собой печь прямого восстановления железа или любую установку прямого восстановления железа.
Отходы 1, которые могут быть, например, выбраны из числа твердых бытовых отходов, отходов промышленного производства или органических отходов, загружают в сушильное оборудование 2. Предпочтительно использовать органические отходы и более предпочтительно древесные отходы, например, полученные из разобранных строений. Сушильное оборудование представляет собой, например, ленточную сушилку или вращающуюся сушильную печь.
При проведении стадии сушки в сушильное оборудование 2 подают сушильный газ 12 для подвода теплоты, необходимой для сушки отходов 1. Сушильный газ 12 предпочтительно имеет температуру по меньшей мере 70ºС.
После завершения стадии сушки, предпочтительно когда отходы имеют влагосодержание менее 10%, наиболее предпочтительно – менее 5%, высушенные отходы направляют в оборудование 3 обжига. Оборудование 3 обжига предпочтительно выполнено так, чтобы избежать контакта газа обжига с высушенным материалом. Это оборудование представляет собой, например, реактор пиролиза или вращающуюся печь.
На стадии обжига газ 13 обжига направляется в оборудование 3 обжига с целью нагрева высушенных отходов. Нагрев может быть осуществлен непосредственно газом обжига или с помощью горелок, в которых газ 13 обжига используется в качестве топлива. Стадия обжига предпочтительно осуществляется при температуре в интервале от 200ºС до 320ºС. В результате проведения стадии обжига получают подвергнутые обжигу отходы, и генерируется отходящий газ 19 обжига. Упомянутый отходящий газ 19 обжига содержит летучие соединения, такие как Cl, SOx или NOx, полученные в процессе обжига отходов. Этот отходящий газ 19 обжига подлежит очистке в специальной очистной установке 9 для улавливания летучих соединений и предотвращения их выброса в атмосферу.
Отходы, подвергнутые обжигу, называемые также углем или биоуглем, затем подают в доменную печь 5. Указанные обожженные отходы могут заменить традиционный кокс или ископаемый уголь в качестве источника углерода и в результате улучшить общий баланс углерода за счет предотвращения использования ископаемого углерода.
Как вариант, уголь или биоуголь сначала направляют в измельчитель 6, в котором осуществляется измельчение до частиц размером менее 200 мкм, предпочтительно размером менее 150 мкм. Мелкий уголь или биоуголь затем вдувают в доменную печь через фурму (не показано) в качестве замены угля, используемого в известном способе ввода угольной пыли (PCI).
В соответствии с изобретением установка, кроме того, содержит агломерационную установку 4. В агломерационной установке мелкие частицы железной руды спекаются с помощью флюсов, например, известняка или оливина, и твердого топлива, такого как коксовая мелочь или антрацит, при высокой температуре с получением продукта, который может быть использован в доменной печи 5. Как правило, и в качестве примера, в агломерационной установке, материал подается с помощью бункеров для загрузки на бесконечную ленту с образованием множества слоев, и твердое топливо воспламеняется на этой ленте с помощью зажигателя 7. Воздух и дымовые газы всасываются воздушными коробами 8 из нижней части слоя материала по всей длине агломерационной машины, что способствует процессу зажигания. Огонь постепенно проникает в материал на всем протяжении ленты до тех пор, пока не достигнет слоя «постели». Мелкие частицы затем сплавляются друг с другом и непосредственно после охлаждения спекаются с образованием агломерата. Образовавшийся агломерат затем подвергается дроблению и перед загрузкой в доменную печь 5 дополнительно охлаждается в охладителе агломерата (не показан). Охладитель агломерата также выделяет отходящий газ, главным образом, горячий воздух.
Воздух и дымовые газы, всасываемые воздушными коробами 8, а также горячий воздух, который выделяется в охладителе агломерата, называются отходящим газом 14 агломерации. В соответствии с изобретением этот отходящий газ 14 агломерации направляют в сушильное оборудование для их использования в качестве части сушильного газа 12. Этот сушильный газ 12 содержит по меньшей мере 50% отходящего газа 14 агломерации, более предпочтительно содержит более 80%. Сушильный газ 12 может быть дополнительно образован из природного газа. Упомянутый отходящий газ 14 агломерации может быть образован исключительно из воздуха и дымовых газов, всасываемых посредством воздушных коробов 8, или исключительно из горячего воздуха, выделяемого в охладителе агломерата, или из обоих из них. Как вариант, отходящий газ 14 агломерации сначала подвергают стадии очистки перед смешиванием с другими компонентами для образования сушильного газа 12. Указанная стадия очистки может быть осуществлена, например, с использованием установки с мешочными фильтрами.
Отходящий газ 14 агломерации предпочтительно имеет температуру в интервале от 100ºС до 150ºС при его смешивании с другими компонентами с образованием сушильного газа 12. Сушильный газ 12 может быть образован только из отходящего газа 14 агломерации.
Поскольку отходящий газ 14 агломерации происходит из воспламененного материала, находящегося на бесконечной ленте, он имеет высокую теплотворную способность, и поэтому в случае его использования в качестве части или всего сушильного газа 12 на стадии сушки, он всегда содержит достаточное количество теплоты для сушки отходов 1, независимо от их свойств и в значительной степени от их влагосодержания. Больше нет необходимости в использовании внешних источников энергии.
В другом воплощении, иллюстрируемом на фиг.2, отходящий газ 19а обжига не подают в установку 9 очистки газа, а вместо этого направляют в установку 4 агломерации, где он может заменить часть твердого топлива, которое смешивают с мелкими частицами железа. Это позволяет избежать использования дополнительного дорогостоящего оборудования и предотвратить выбросы загрязнений вредных веществ в атмосферу.
В другом воплощении, также иллюстрируемом на фиг.2 прерывистыми штриховыми линиями, отходящий газ 19b обжига направляют на рециркуляцию в оборудование 3 обжига, в котором эти газы используются в качестве части газа 13 обжига для нагревания высушенных отходов. Отходящий газ обжига может быть также использован в качестве части 19с сушильного газа 12 для стадии сушки.
Ещё в одном, не иллюстрируемом воплощении отходящий газ обжига может быть использован в подогревателе для нагрева воздуха, который затем вдувается в доменную печь.
Ещё в одном, не иллюстрируемом воплощении отходящий газ обжига может быть направлен в энергетическую установку для выработки электрической энергии.
В другом, не иллюстрируемом воплощении отходящий газ доменной печи, называемый также колошниковым газом, или любой отходящий газ сталеплавильного производства, такой как газ коксовых печей или конвертерный газ, могут быть использованы в качестве части сушильных газов или газов обжига.
Все раскрытые в настоящем описании воплощения изобретения могут быть использованы в комбинации друг с другом.
1. Способ получения угля и его использования в установке по производству железа, включающий следующие стадии:
а) сушка отходов с использованием сушильного газа, при этом сушильный газ содержит отходящий газ из агломерационной установки,
b) обжиг высушенных отходов с использованием газа обжига, производимый с получением угля и отходящего газа обжига,
c) использование полученного угля в качестве сырья, вводимого в процесс производства железа.
2. Способ по п.1, в котором сушильный газ содержит по меньшей мере 50% отходящего газа из агломерационной установки.
3. Способ по п.1 или 2, который дополнительно включает стадию рециркуляции по меньшей мере части отходящего газа обжига в агломерационную установку.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором сушильный газ имеет температуру по меньшей мере 70°С.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором отходящий газ агломерационной установки при его смешивании с другими компонентами с образованием сушильного газа имеет температуру в интервале от 100°С до 150°С.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором обжиг осуществляют при температуре, находящейся в интервале от 200°С до 320°С.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором по меньшей мере часть отходящего газа обжига используют в качестве части сушильного газа.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором отходящий газ обжига используют на стадии обжига в качестве части газа обжига.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором после осуществления стадии обжига полученный уголь подвергают стадии измельчения и измельченный уголь вдувают в доменную печь через фурму.
10. Способ по п.9, в котором измельченный уголь имеет размер частиц менее 10 мкм.
11. Способ по п.9 или 10, в котором по меньшей мере 4 мас.% твердого материала, вдуваемого через фурму, представляет собой измельченный уголь.
12. Способ по любому из пп.1-11, в котором после осуществления стадии сушки высушенный материал имеет влагосодержание менее 10%.
13. Способ по любому из пп.1-12, в котором отходящий газ обжига вводят в процесс производства железа.
14. Способ по любому из пп.1-13, в котором отходящий газ обжига направляют в энергетическую установку.
15. Способ по любому из пп.1-14, в котором отходы представляют собой органические отходы.
16. Способ по п.15, в котором органические отходы представляют собой древесные отходы.
17. Установка для осуществления процесса производства железа, содержащая
а) сушильное средство 2, способное высушивать отходы 1 с использованием сушильного газа 12 и содержащее средство ввода для введения сушильного газа в сушильное средство 2,
b) средство 3 обжига, способное обжигать высушенные отходы с использованием газа 13 обжига, так чтобы получить уголь и отходящий газ 19 обжига,
с) агломерационную установку 4, производящую спеченный материал и отходящий газ 14 агломерации,
d) первичные средства улавливания, предназначенные для улавливания отходящего газа агломерации,
е) средства соединения, предназначенные для соединения первичных средств улавливания с упомянутым средством ввода так, чтобы обеспечить подачу части отходящего газа 14 агломерации в сушильное средство 2,
f) установку 5 производства железа, выполненную с возможностью использования в ней полученного обожженного угля.
18. Установка по п.17, в которой сушильное средство 2 представляет собой ленточную сушилку.
19. Установка по п.17 или 18, в которой средство 3 обжига представляет собой реактор пиролиза.
