Способ прямого получения металлов из окислов

(19 5 С 21 В 13/О ПИС БР еталлургии,получения и железа в х материа я стали из й сжигание ре для пол, содержаебольшого ну горения ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Патент США ЛЬ 2824793, кл, С 21 В13/00, 1956.Патент СССР М 976856, кл. С 21 В 13/12,1974,Патент США М 3607224, кл, С 21 В13/02, 1974.(54) СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОКИСЛОВ(57) Использование: изобретение относитсяк технологии получения стали и железа изрудных материалов, Сущность: способ прямого получения металлов из окислов включает одновременную газификациюпылеугольного топлива и восстановлениеметалла из окислов продуктами газификации и пылеугольным топливом при проведении процесса в вертикальном вихревомреакторе с тангенциальной подачей реагенИзобретение относится к мв частности к технологии прямогометалла, в особенности сталирасплаве из окислов, т,е. рудньлов.Известен способ получениокисленного железа, включающиугля в кислороде и перегретом паучения восстановительного газащего 65-45% СО, 35-55% Н 2 и нколичества СО 2, введение в зо тов через патрубки, расположенные по окружности реактора, Реагенты вводят в среднюю часть реактора на одном уровне в зону зажигания. Пылеугольную пыль в потоке подогретого воздуха, обогащенного кислородом, вводят при соотношении углерод топлива - кислород окислителя в пределах 1:(1,07-1,33), а измельченную железосодержащую руду и флюсы в смеси с угольной пылью в потоке транспортного газа-носителя при соотношении углерод - железо в диапазоне 1:(4,5-4,6) вводят через другой патрубок. Температуру подогрева окислителя и степень его обогащения кислородом устанавливают в пределах, при которых для заданной производительности температура в реакторе поддерживается на 30-50 С выше параметра начала жидкого шлакоудаления, но не ниже 1600 С, а отходящие газы отводят через патрубок в верхней части реактора. Способ предусматривает тангенциальный отвод из реактора продуктов реакций и утилизацию химического и физического тепла отходящих газов, 2 з.п. ф-лы. потока восходящего газа, содержащего ма- ., лые частицы окислов железа, подогретых до 500 С (но не выше температуры спекания). Сжигание угля в кислороде и перегретом паре осуществляется при соотношении 1,7- 2,5 моля кислорода и 0,5-2 моля Н 20 на каждые 4 моля углерода для получения температуры пламени в пределах 1650-2200 С.Недостатком известного способа является его технологическая сложность и низкая экономичность, обусловленнаянеобходимостью проведения процесса в перегретом паре, а также тем, что процесс проводят при больших значениях коэффициента расхода окислителя а, выбранного в пределах 0,5-0,85. Указанные значения а взяты из условий получения температуры пламени в пределах 1650-2200 С, однако не отвечают требованиям к составу восстановительного газа: продукты сгорания содержат большое количество окислителей (до 10 оь и более),Известен способ прямого получения металлического расплава, предусматривающий частичное восстановление железа, происходящее совместно с его расплавлением, осуществляемый путем тангенциальной подачи измельченного железорудного материала, твердого углеродистого восстановителя и кислородсодержащего газа в факел горения, при этом восстановление металла (железа) и роизводится остаточным твердым восстановителем, и рисутствующим в расплаве.Недостаток указанного аналога - также низкая интенсивность процесса, которая объясняется тем, что процесс проводят в две стадии в ванне расплава с ее невысокими скоростями потоков, а следовательно, и тепломассообмена.Ближайшее к изобретению техническое решение - способ прямого получения металлов из окислов в расплаве, включающий одновременные газификацию пылеугольного топлива и восстановление металлосодержащей руды продуктами газификации и пылеугольным топливом в смеси с флюсами путем тангенциальной подачи пылеугольного топлива в потоке окислителя и смеси измельченной железной руды, флюсов и пылеугольного топлива в потоке газа-носителя в вертикальном цилиндрическом вихревом реакторе с последующим удалением продуктов реакций. Газы удаляются через центральный осевой канал из средней части реактора. Недостаток прототипа тот же, что и у приведенных выше аналогов, а именно: невысокая технико-экономическая эффективность процесса, связанная с проведением процесса в ванне расплава, При этом для интенсификации процесса необходима дополнительная подача окислителя в нижнюю ступень реактора, что и приводит к усложнению и удорожанию технологии. Прототипу присущ и еще один недостаток - низкая стойкость огнеупорной футеровки ванны.Целью изобретения является повышение эффективности процесса, Указанная цель достигается тем, что подачу пылеугольного топлива в потоке нагретого окислителя, а также смеси металло- (железо)содержащей руды, пылеугольного топлива и флюсов в потоке газа-носителя производят на одном уровне в зону зажигания в средней части реактора. Способ, кроме того, отличается тем, что соотношение углерод топлива - кислород окислителя в потоке поддерживают в пределах 1:(1,07- 1,33). Удаление из реактора газообразных продуктов производят тангенциально из верхней части реактора,Указанная новая совокупность отличительных признаков обеспечивает протекание в вихревом реакторе восстановительной гарниссажной плавки в условиях высокоскоростных закрученных потоков, интенсивного тепло- и массообмена, высо 51015 ких температур 20 На чертежах показан вихревой реактор, в котором может быть реализован предлагаемый способ.На фиг. 1 изображен вертикальный циразрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; нафиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1.Вихревой реактор - цилиндрическийаппарат, состоящий из двух по высоте сту 30 пеней 1 и 2 разного диаметра и высоты,образующих собственно рабочую камеру (реакционную зону), и копильника 3 для сбора и удаления через летку 4 расплава металла и шлака. Нижняя ступень 1 является зоной зажигания и расположена в средней части реактора. Она снабжена тангенциальными патрубками для подвода реагентов; патрубком горячего окислительного дутья 5 с установленной в нем у входа в реактор форсункой 6 для вдувания угольной пыли, соплом 7 для подачи смеси шихты (металло- рудной руды, флюсов в виде порошка) и угольной пыли в заданной пропорции.Верхняя ступень 2 снабжена выходным тангенциальным патрубком 8, Стенки 9 реактора с копильником и патрубком выполнены двойными с зазором 10 между ними для прохода охлаждающей среды - воды, пароводяной эмульсии или пара (в случае устройства системы испарительного охлаждения). Подвод и отвод охладителя не показаны,Вся огневая поверхность реактора (включая копильник) ошипована и покрыта огнеупорной обмазкой 11 (например, на основе окислов циркония) и при работе находится под слоем гарниссажа,Ступени 1 и 2 разделены диафрагмой 12 - футерованным водоохлаждаемым диском с отверстием 13 для отделения и стока расплава в копильник,35 40 4550 55 25 линдрический вихревой реактор, осевойПредлагаемый способ с помощью устройства, изображенного на фиг.1 - 3, реализуют следующим образом,Через входной дутьевой патрубок 5 поддавлением порядка 2-3 ати и более) в зону 5зажигания (ступень 1) подают подогретыйокислитель - воздух либо воздух, обогащенный кислородом. В поток дутья у входа вреактор через форсунку 6 вдувают по системе пневмотранспорта пылеугольное топливо. В случае необходимости пневмотранспорта пылеугольное топливо. В случае необходимости (для получения шлака нужнойосновности, связывания серы и пр.) в угольную пыль добавляют в процессе ее приготовления (помола) флюсующие добавки -известь, доломит и пр. При смешении пылеугольного топлива с потоком окислителяпроисходит зажигание топливовоздушнойсмеси, Из патрубка 5 поток горящей смеси 20с большой скоростью (50-100 м/с) истекаетв полость камеры 1 и закручивается, формируется вихревой факел. В нем происходитнеполное сгорание пылеугольного топлива(ПУТ) с получением горячего восстановительного газа (ГВГ),Через сопло 7 также по системе пневмотранспорта в ту же зону, в нижнюю ступень 1 реактора тангенциально вводятсмесь тонкоизмельченной шихты (руда, 30флюсы) с угольной пылью, Эта смесь имеетсостав с соотношением углерод - железо1:(4,5-4,6), Такое соотношение соответствует стехиометрии реакции (9) - основной реакции всего процесса восстановления из 35расплава по предлагаемому способу, Этапропорция и будет оптимальной, отклонения от нее в любую сторону вызывают перерасход реагентов (часть их остаетсяизлишней, не используется) снижение степени восстановления, нарушение управляемости и стабильности процесса,Из реактора отходящие газы через патрубок 8 направляются на очистку в сухиециклоны и после нее - на утилизацию (не 45показано). Схемы утилизации, состав оборудования могут быть различными и предусматривают использование химического ифизического тепла отходящих из реакторагазов, содержащих большое количество 50восстановителей (50-ЗОО и более). Дутье, подаваемое через входной патрубок 5 (ПУТ в потоке нагретого окислителя), обеспечивает; проведение газифика ции; расплавление минеральной части реагентов; сепарацию расплавленных капель шлака и их осаждение на стенках, образование гарниссажа; непрямое восстановление железа газообразными восстановителями; ЗРегОз+С 0=2 Рез 04+СОг+37,25 МДж (1) РезОа+СО=3 РеО+СОг,96 МДж (2) РеО+СО=Ре+СОг+13,65 МДж (3) ЗРегОз+Нг=2 Рез 04+Нг 0-4,2 МДж (4) Рез 04+Нг=З Р О+Нг 0-62,41 МДж (5) РеО+Нг=Ре+Нг 0-27,8 МДж (6) Как показывает расчетный анализ на этой стадии полностью проходят реакции восстановления высших окислбв до низших, (реакции 1, 2, 4, 5), а восстановление до железа (3, 6) оставляет около 10-20 от общего его количества в руде. Результаты первой стадии процесса - выделение тепла и восстановительная атмосфера - создаютусловия для второй стадии процесса: прямого восстановления при контактном взаимоДей- ствии расплавленных частиц шихты с твердым углеродом в реакторе при вдувании через сопло 7 реагентов второго технологического потока - смеси ПУТ и шихты,Процесс протекает по следующим реакциям:3 РегОз+С=2 Рез 04+С 0-129,7 МДж (7) Рез 04+С=3 ЕеО+С 0-187,28 МДж (8) РеО+С=Ре+С 0-152,67 МДж (9) При этом достигается равновесие-в присутствии твердого углерода в системе С-СОСОгСОг+С=2 С 0-166,32 МДж, (10). Таким образом, реакции прямого восстановления железа при высоких температурах (1500 С и более) идут с затратойтвердого углерода при поглощении большого количества тепла и с выделением СО (реакции 7-9),При этом производительность реакторапо восстановленному железу определяетсяв основном энергетическими условиями,тепловым балансом - запасом тепла в реакционной зоне,Вихревые скоростные потоки в реакторе интенсифицируют (в отличие от процес-сов в ванне или в шахтной печи)механическое и физико-химическое взаимодействие, тепломассообмен реагентов -расплавленных капель шлака, флюсов,окислов металла и тем самым весь процессвосстановительной гарниссажной плавки.Согласно заявляемому способу, в дутье.поддерживают соотношениеуглерод - кйс-лород 1:(1,07-1,33), что соответствует значению коэффициента расхода окислителя а вдиапазоне 0,4-0,5. Этот диапазон являетсяоптимальным, Он определяется двумя противоположными требованиями к составу атмосферы (минимум окислителей . ВОгтемпературе процесса (максимально возможно значение а);Значение а=0,4 (отношение углерод - кислород равно 1:1,07) практические для всех углей соответствует началу выделения так называемого конденсированного (свободного) углерода, окислители при этом в продуктах сгорания отсутствуют, При а 0,4 (расход кислорода меньше 1,07 на весовую единицу углерода) резко снижаются выход продуктов газификации и температура, ухудшается стабильность процесса. В продуктах воздушной газификации с а=0,5 содержание 2 ВОг невелико и для различных углей находится в пределах 5-7 . При й 0,5 (расход кислорода больше 1,33.на единицу углерода) растет содержание окислителей в газе, развивается реакция (4) с поглощением углерода и большого количества тепла, т,е, часть технологического угля, введенного через сопло 7, не функционирует как твердый восстановитель (см, уравнения 1-3), а окисляется. В результате затормаживается восстановительный процесс, ухудшается его экономичность (перерасход топлива, снижение производительности и др,).При газификации ПУТ различных углей с а около 0,4 в воздухе, нагретом до ь=1200 С, развиваются температуры порядка 1600-1650 С, С учетом этого, а также по требованиям надежность процесса обеспечивают выбором основных входных параметров процесса: нагрева окислителя (е) и степени его обогащения кислородом (в), Кроме того, с этой целью осуществляют подогрев сырья - ПУТ и шихты, а также предварительное восстановление последней путем утилизации отходящих газов.. Опробование предлагаемого способа на испытательном стенде - в реакторе ИВТАН подтвердило возможность и технологическую эффективность процесса, реализации восстановительной плавки, В качестве исходных сырьевых материалов использовали уголь - кузнецкий (С =68,8 раб,массы);железная руда - железный суперконцентрат Оленегорского месторождения (Ее=71,78 ), крупность помола (угля и руды) в пределах 70-90 мк. Опытные плавки проведены в следующих диапазонах параметров; температура дутья (окислителя) около 1300 С, степень обогащения кислородом около 50 , а=0,41-0,5, расход угла на газификацию 0,3 кг/с, расход технологической смеси (ПУТ и концентрата) 0,06-0,2 кг/с, 5 10 15 20 роком и меняющемся ассортименте25,продукции. 30 35 40 45 50 55 Получен расплав металла, практически соответствующий передельному чугуну(С=4,7; 3=0,3; Р=0,12; 5=0,7 ф , остальное железо), но с повышенным содержанием серы и основностью шлака 0,05 из-за отсутствия флюсования (расшихтовки),Преимущества заявляемого решения по сравнению с прототипом:увеличение эффективности процесса; удешевление и упрощение технологии;. возможность использования низкосортных высокозольных углей (зольностью до 30; и более) при обычном станционном помоле; высокая удельная производительность; технология хорошо вписывается в схему машиностроительного или металлургического завода с неполным циклом (мини-завод, региональный металлургический завод, отраслевое металлургическое предприятие и т.д.), отличается маневренностью, хорошо приспособлена к условиям гибкого производства с малотоннажными заказами в шиФормула изобретения 1. Способ прямого получения металлов из окислов, преимущественно железа, включающий одновременные газификацию пылеугольного топлива и восстановление металлсодержащей руды продуктами газификации и пылеугольным топливом путем раздельной тангенциальной подачи пылеугольного топлива в потоке нагретого окислителя и смеси измельченной руды, флюсов и пылеугольного топлива в потоке газа-носителя в вертикальном цилиндрическом вихревом реакторе с последующим удалением продуктов реакций, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности процесса, подачу пылеугольного топлива в потоке нагретого окислителя, а также смеси руды, пылеугольного топлива и флюсов в потоке газа-носителя осуществляют на одном уровне в зону зажигания в средней части реактора.2, Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что соотношение углерод топлива - кислород окислителя в потоке поддерживают в пределах 1.(1,07-1,33).3. Способпоп.1,отл ича ющийся тем, что удаление из реактора газообразных продуктов производят тангенциально из верхней части реактора.1786084А-А Составитель Л.ПанниковТехред М.Моргентал орректор О,Густ дактор Т,Рожко ельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина,роизводственно аказ 228 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5