Способ восстановления окиси железа

СООЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК РЕ ков Юеэа3. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ОПИСАНИЕ ПАТЕНТУ(56) 1. Похвиснев А,И., Кожевнии др. Внедоменное получение желза рубежом, М., 1968, с, 102-11(54)(57) 1, СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНОКИСИ ЖЕЛЕЗА, включающий восста 80 1052165 ление в шахтной печи противотокомзагружаемого сверху материала н горячего восстановительного газа,состоящего иэ смеси рецнркулируемогои десульфурированного газа от газификации твердого топлива с показателем качества не ниже 6,5, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюсокращения тепловых затрат, частьрециркулируемого восстановительногогаза добавляют к полученному газификацией на выходе из газификатораперед десульфуратором, а другуючасть подогревают до 760-900 оС исмешивают с потоком, идущим из десульфуратора, перед подачей в зонувосстановления.1052165 3. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что часть холодного рециркулируемого газа подают в зону охлаждения реактора для десуль" фурирования газа. 2. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что часть холодного рециркулируемого газа добавляют пе" ред смешиванием с подогретой частью. 2Изобретение относится к прямому по. Цель изобретения - сокращениелучению железа в шахтной печи. тепловых затрат.Большинство установок для прямо- Поставленная цель достигается тем,.го получения восстановленного же- что согласно способу восстановлениялева используют в качестве источни окиси железа, включающему восстановка восстановителя природный гаэ, При- ление в шахтной печи противотокрмродный гаэ риформируют для того, загружаемого сверху материала и горячтобы получить восстановители СО чего восстановительного газа, состои Н. ящего иэ смеси рециркулируемого нИзвестны установки, использующие10 десульфурировациого газа от. гаэиуголь в качестве источника восста-локации твердого топлива с иокаэановителя в ротационных обжиговых про- телем качества ие ниже. 6,5, частьцессах, например процесс Зьйн, в со- рециркулируемого восстановительного.ответствии с которым уголь восста- .газа добавляют к полученному газинавливается прямо на месте в печи15фшацией на.выходе иэ. газификаторабез отдельной газификации угля для пеРед деаульфаторсм, а другую частьполучения СО и Н 1 д .подогревают-до. 760-909 вС и смешиваРотационные обжиговые процессы . . Мт с потоком, идущим из десульфура. имеют недостаточн 1 ую эффективность, . тора, перед подачей в зону восстасвяэанную с использованием. угля, : новления.так, как две трети угля сжигается.в О часть холодного рециркулируемопечи для того, чтобы .обеспечить :; .го газа добавляют перед смешиваниемнагрев и только одна треть: использу. в . е подогретой частью.ется для получения восстанавливающе- Часть холодного рецнркулируемогого газа для:прямого восстановления,ьгаза подают в .зону .охлаждения реакэто приводит к тому, что требует тора для десульфурирования. газа. . ся большое количеотво угля, чтобы На чеРТеже Изсбражейа схема реполучить 5,0-6,0 гкал на метричес-"; алиэации способа.кую тонну прямо восстановленногоНа схеме. обозначена печь 1 с .огжелеза, в противоположность этому . неуопорным покрытием шахтного типав более эффективных процессах с ис с противотоком материала и восстапользованием природного газа из рас- новителя. Подающийся материал 2чета 3-3,5 гкал на 1 т губчатого (окись железа) в виде окатьааей окижелеза. . си и/или крупнокусковой руды с ноНаиболее близким к предлагаемойу минальным размером в.пределах 5 по технической сущности и достигае 30 мм .подается в питательный бункермому результату является способ . 3 и в печь через питательную магиствосстановления окиси железа в шахт-: раль 4 для создания шихты в печи.ной печи противотоком загружаемого Восстановленные железные окатышисверху материала и горячего восста-; и/или кусковой продукт отводятсяновительного газа, состоящего иэ 40 иэ нижней зоны печи через выпускнуюсмеси рециркулируемрго и десульфу" магистраль 5 к разгрузочному трансрированного газа от газификации твер- портеру 6 скорость которого контд о топлива с показателем качества лирует скорость спуска шихты черезогУ ог контроне ниже 6,5 23. печь 1.. Свежий горячий восстановительныйОднако способ является сложныа и газ вводится в печь 1 через входнуюнедостаточно практичным для промыш" магистраль 7 для горячего восстаноленногоосвоения, так как горячий вительиого газа и газовые входныегаэ из газификатора угля содержит отверстия 8, расположенные в огненизкое отношение восстановителейупорной стенке в средней зоне печи.(СО и Н 2) к окислителям .(СО и НО 50 Гоячий восстановительный газ протепаров) ине может эффективно исполь- . кает внутрь, затем вверх в состояэоваться в прямом восстановлении нии иротивотока по бтношению к спускажелеза. ющейся шихте. Отработанный восстановительный гаэ (верхний газ), содержащий СО , выходитчерез шихту в верхней части печи на уровне загрузки,образованном углом естественного откоса подачи окиси железа через питательную магистраль 4 и уходит из 5печи через отводящую магистраль 9.Нижняя зона печи 1 снабжается циркуляцией охлаждающего газа для охлаждения восстановленного железа,"перед его выгруэкой иэ печи. Охлаждающая печь. включает входное отвер-.стие 10, через которое газ поступает в распределительный элемент 11, лительным элементом в печи, выходнойэлемент 13 для охлаждающего газа ивнешнюю систему для рециркуляции га-.за, имеющую скруббер-холодильник 14и .рециркуляционную воздуходувку 15.Газификатор 16 природного топлива, использующий кислород или кис-.лород и КО. которые впускаютсячерез инжектор 17, используется длягазификации размельченного природного топлива, например каменногоугля, бурого угля или древесного угля, введенного через топливный инжектор 18, для того чтобы получить горячий газ, который выходит из гази- ЗОфикатора через трубопровод 19. Остающаяся после газификации топливаэола удаляется из газовой плиты че- .рез выброс 20 золы,Верхний газ, выходящий из печи 35через отводящую магистраль 9, охлаждается и очищается от пыли вскруббер-холодильнике 21, после чего поступает в трубопровод 22. Частьохлажденного верхнего газа удаляет-, 4 рся из системы через дренажную труб-,ку 23 и используется в качестве топ-:ливного газа для получения пара.Вторая часть охлажденного газа удаляетсячерез трубопровод 24 и исполь зуется в качестве. топлива для горелки.Третья часть охлажденноговерхнего газа сжимается. газовымкомпрессором 25 и затем впускаетсячерез трубопровод 26 в обычный регенеративный узел 27 удаления С 02.В этом узле основная часть СО 2 удаляется из газа для того, чтобй по- лучить обогащенный восстановителемгаз, который удаляется через трубопровод 28. Часть обогащенного восстановителем газа подается в смешиваквщй трубопровод 29 для перемешиваиия с горячим газом от гаэификатора в трубопроводе 19 до температурй .ниже температуры застывания60эолы. Этот перемешивающий газ можетбыть введен попеременно в зону отвода газа из гаэификатора 16, гдеон не будет оказывать вредного воздействия на температуру газификации., 65 Горячий гаэ газификатора в трубопроводе 19 после перемешивания с газом из смешивающего 29 трубопровода, частично охлаждается и вводится в газовый десульфуратор 30 через газовую входную трубку 31. Десульфуратор 30 представляет собой печь шахтного типа с огнеупорным покрыти- ем, в верхней части которого через подающий бункер и подающую 32 трубку вводится в виде частиц известняк для образования шихты в десульфураторе.Перемешанный горячий гаэ из газовой входной трубки 31 вводится в десульфуратор через газовые входные отверстия 33, размещенные в.огнеупорной стенке в средней зоне печи. Этот газ течет внутрь через шихту противотоком по отношению к опускающейся шихте. Горячий десульфурированный газ выводится нз шихты на уровень 34 загрузки и затем через выводную магистраль 35. Введенная в реакцию известь, содержащая серу и остаток не вступившего в реакцию известняка, удаляется иэ десульфуратора через разгрузочную магистраль 36 к разгрузочному транспортеру 37. удаление частиц оставшегося после реакции материала к разгрузочному. 37 транспортеру через разгрузочную 36 магистраль создает гравитационный поток и контролирует скорость прохождения шихты через газовый 30 де.- сульфуратор. Небольшое количество очищенного восстановительного газа, в качестве охлаждающего газа для охлаждения шихты перед ее выгрузкой, из узла 27 вводится через трубо- . провод в охлаЖдающий газовый распределительный элемент 39, находящиЧ-. ся в нижней зоне десульфатора 30. Этот охлаждающий газ течет вверх через десульфатор и подогревается горячей падающей шихтой до тех пор, пока газ достигает среднейзоны,.Газовый подогреватель 40 служит для нагревания обогащенного. восстановителем газа, поступающего нз трубопровода 41, до температуры, которая необходима для использования, его в качествевосстанавливающего газа в восстановительной печи 1.По- . догреватель включает нагревающие трубки 42, одну или более горелок 43 и трубопровод 44 для выпуска газа. Горячие газы, выходящие из выпускного трубопровода 44, предпочтительно используются в теплообменнике (не показан) для подогрева горячего воздуха источника 45 для горелок 43. Топливо для горелки 43 представляет собой верхний газ, введенный через трубопровод 24. Подогретый, обогащенный восстановителем газ выходит из газового подогревателя 40 через трубопровод 46, перемешивается с го-, рячим деаульфурированным газом, который поступает иэ десульфуратора 30 и перемешивается с холодным обогащенйым восстановителем газом, поступающим через трубопровод 47, и приобретает температуру, которую должен иметь гаэ при входе в печь, 5 Эта конечная газовая смесь становится грячим восстановительным газом, введенным в восстановительную печь 1 через газовую входную магистраль 7. 10В прямом восстановлении железа восстановительная печь шахтного типа с противотоком обеспечивает получение наивысшей термической эффективности, в которой восстанавливающий гаэ и руда находятся в состоянии противотока друг относительно друга. При таком относительном движении газа и пород горячий восста" новительный гаэ служит не только для того, чтобы восстанавливать20 окись железа в металлическое железо, а также для того, чтобы нагревать окись железа до температуры восстановления..Шахтная печь с противотоком также имеет наивысшую химическую эффективность из всех восстановительных печей любого типа при условии, что горячий восстановительный газ, подаваемый в печь, имеет досточно вы сокий показатель качества, который выражается как отношение восстановителей (СО и Н) к окислителям (СО и.НО) в газовой смеси. Опыт промыш-, ленного использования установок на 35 природном газе показал, что для получения полной химической эффективности шахтной восстановительной печи с противотоком показатель качества восстанавливающего газа должен быть по крайней мере равен восьми.При газификации измельченного твердого ископаемого топлива, такого как каменный или, бурый уголь, в газификаторе с частичным окислением, таким каким является газовый подогреватель 40, образуется газ, преимущественно содержащий Сор Н 2 Р СО 2и НОИзобретение основано на газифи,кации типичного подбитуминозного ка менного угля с использованием кислорода, НО и измельченного угля в газификаторе слоистого типа, который производит горячий газ, содержащий главным образом СО, Н 2, СО и 5 НО. Температура газификации в таком газификаторе обычно ранна 1400 С. При такой температуре зола каменного угля становится .жидкой, заливает" ся водой и удаляется со дна газифи" 0 катора как шлак.П р и м е р. Горячий восстановительный гаэ, показатель качества которого равен 10, при типичной предпочтительной температуре 815 С вво дится в восстановительную печь 1 через газовую входную магистраль 7. СО и .Н, содержащиеся в газе, вступают в реакцию с окисью железа, в результате чего образуется СО, Н О и металлическое железо. При восстановлении окиси железа в металлическое железо используется только часть восстановителей (СО и Н), которая снова может быть введена в реакцию после удаления окислителей. Эта термодинамическая ситуация приводит к тому, что отработанный восстановительный газ, выходящий из печи через отводящую магистраль 9, имеет показатель качества равный 1,5, В газовом скруббер-холодильнике 21 конденсируется большое количество вбдяного пара и удаляется из газа, что приводит к тому, что показатель качества охлажденного верхнего газа равен 2. Такой газ является хорошим горючим для сжигания, но не обладает восстановительным потенциалом для прямого восстановления железа.Часть верхнего газа с показателем качества, равным 2, используется. как горючее для горелки 43 газового подогревателя 40, Другая часть газа удаляется из системы через дренажную трубку 23 и используется в качестве топлива для обогрева испарителя (не показан), создания пара, необходимого при работе узла 27 уда" ления СО . Основная часть колошникового газа рециркулируется через узел 27 удаления СО 2, что приводит к обогащению газа, отводимого че рез трубопровод 28. Восстановительный газ, показатель качества которого высок (23), используется в четырех направлениях.Горячий газ, выходящий из газификатора 16 природного топливачерез трубопровод 19, имеет температуру 1370 оС и показатель качества 6,5. Гаэ содержит Н 28 и СОЯ из серы в угле, некоторое количество невступиэшего в реакцию древесного угля и некоторое количество капель остатка золы. Для того, чтобы вызвать затвердевание жидких капель золы в горячем газе и осуществить передачу по трубопроводам поток в смешивающем трубопроводе 29 холодного обогащенного восстановителем газа перемешивается с горячим газом так, чтобы довести температуру смеси до 950 С во входной трубке 31 в десульфуратор 30. Это приводит к тому, что показатель качества во входной трубке 31 становится равным 9,.К десульфуратору 30 подается известняк в виде частиц. Для того чтобы шихта имела хорошую газовую проницаемость размер частиц предпочтительно равен 3-20 мм. Скорость потока массы горячего газа, введенного вдесульфуратор, очень высока по отношению к скорости потока массы холодного известняка, поданного к десульфуратору. Это приводит к тому,что известняк очень быстро приобретает температуру газа при поднятиинепосредственно под уровень 34 загрузки. Это приводит к очень быстрому кальцинированию известняка сполучением обожженной извести, которая вступает н реакцию с Н Я и, СОЯи удаляет эти составляющие из газифицированного газа.Обожженная известь может подаваться вместо известняка, но этоэкономически невыгодно.Горячий газифицированный гаэ эасчет перемешивания с холодным, обогащенным восстановителем газом доводится до 950 оС перед подачей вдесульфуратор 30,Понижение содержания окислителяв горячем газе посредством перемешивания с высококачественным газом,обогащенный. восстановителем, способствует удалению серы. Содержание серы горячего гаэифицированного газадля специально подобранного углясоставляет 3900 ч объемных частейНЯ и СОЯ на миллион. При темпера"туре реакции 950 С и с пониженнымсодержанием СО 2 и Н О после перемеши 2вания количество серы в газе, выходящем из десульфуратора, составляетоколо 120 ч, на миллион частей объема. Этот уронень серы ниже максимального и может быть допущен в прямом восстановлении железа, поэтомуон дополнительно уменьшается путемперемешивания с горячим или холоднымвосстановительным газом, не содер-жащим серу, из трубопровода 46 или47. Количество требуемого известняка занисит от содержания серы каменного угля. Количество СО 2 и Н 20,образованного в десульфураторе врезультате реакции серы с изнестью,составляет небольшую фракцию всегогазового объема и имеет только побочное воздействие на качество газа,выходящего из десульфуратора иэ выводной магистрали 35. СО, выделенный в десульфураторе посредствомкальцинирования известняка, такжеоказывает только побочное воздействие на качество газа.Побочные добавления СО 2 и Н О включены в приведенные таблицй,2В десульфураторе 30 шихта покидает реакционную зонуи охлаждаетсяперед выгрузкой путем ввода относительно небольшого потока газа, обогащенного восстановителем, иэ трубопровода 38 к газовому охлаждаю. -щему распределительному элементу 39. 5 Охлажденный гаэ высокого качест.ва течет вверх и продавливается понаправлению к центру реакционной эоны к поступающему иэ отверстий 33газу и подогревается горячей спус кающейся в охлажденную зону шихтой.Часть газа, обогащенного восстановителем, выходящего иэ узла 27для удаления СО 2 через трубопровод 28,вводится в газовый подогреватель40 череЗ трубопровоц 41. В нагревателе, который содержит нагревающиетрубки 42 из теплостойкого сплава,газ нагревается до температуры около 815 С, которая является предпоочтительной для прямого восстановления большинства типов окиси железа,используемого в качестве питающегоматериала. Эта температура может находиться в пределах между 760-900 Сбез отступления от настоящего изобретения.В примере газ, выходящий из десульфуратора 30 через выводную магистраль 35 после нагрева и обжигапоступающего холодного известняка с ЗО получением обожженной извести имееттемпературу 915 С и охлаждается дооо815 С путем подвода и перемешиванияс относительно небольшим потоком газа,обогащенного восстановителем, из тру бопровода 47. Добавление газа, обогащенного восстановителем, черезтрубопровод 47 может быть исключе-.но посредством простого нагреванияв нагревателе 40 до температуры 40 меньше чем 815 С для того, чтобы поолучить температуру газовой восстановительной смеси около 815 С вовходной магистрали 7. для входа восстановительного газа, С помощью до полнительного перемешивающего газа,поступающего через трубопровод 47,легче контролировать температуру горячего восстановительного газа, который вводится во входную магистраль 7.Таблицы основаны на выработке одной метрической тоннй прямо восста;10 1052165 Т а б л и ц а 1 Поток, нм Магистральна схеме Поток качество газа 931 6,5 19 Гаэифицированный газ 29 532 23,0 Газовая смесь к десульфуратору Перемешивающий газ 31 9,0 1463 Газ, выходящий иэдесульфуратора 1511 35 8,5 48 220 23,0 Перемешивающий газГаз подогреваВосстановительный газ 23,0 238 47 10,0 1969 Отработанный восстанавливающий газ 1957 1,5 Охлажденный верхний гаэ 2,0 1782 22Дренаж верхнего газа 48 23 г,о 269 2,0 Верхний газ-топливоОбогащенный газ 23,0 Охлаждающий гаэ десульфуратора 38 2304еП р и м е ч а н и е. Поток отработанного газа на выходе 9 меньше, чемпоок восстанавливакщего газа в трубопроводе 7,так как к прямо восстановленному железу добавляет.ся 1,5 углерода в результате реакции с СО из .восстанавливающего газа,Т а б л и ц а 2 Магистраль Темпера-на схеме тура, ОС" Поток 19 1370 950 31 915 35 815 925 450 Потребность в сырье газификатора16 каменного угля составляет, кг:Сухой уголь 488 45Н эО 93Кислород,(нм 98 02) 235Потребность в сырье и готовый продукт десульфуратора 30 составляет, кг:50Извести як (вход) 32,6Сао .(выпуск 91Са 8 (выпуск) 11 7Энергетические затраты осуществленйя предлагаемого способа, кал:55Газификация угля 3,1Получение кислородадля газификации угля 0,4ф Приблизительно 140 кВч при30-ной эффективности преобразования.60В табл. 2 приведена температурагаза в указанных местах схемы Газифицированный газ К десульфура".торуИз десульфуратора Восстанавлива" ющийгаз Топливный газ От газового подогревателя воздух горелки газОвого нагре- вателя Результаты газового анализа. привеаены в табл. 3.(Н 8+СО 8)намлн,об.ч. Газифицированный газ 55,5 5,5 . 30,0 7,7 0,1 0,9 3900 53 Г 5 4,.2 . 34 Г 4 5,6 0,2 1,9 2500 19 К десульфура тору 31 Из десульфуратора 35 52,4 5 ГЗ 35,1 5.,1 0,2 1,9 120 Восстанавливающий газ 51 Г 8 4 Г 5 36 Г 8 4 ГЗ ОГ 2 2 ГЗ 90 Израсходованный восстанавливающий газ 9 32 ГО 24 Г 1 . 27 ГО 14 Г 4 ОГ 2 2 ГЗ 0 35,1 26 Г 5 29 6 6,0 0,2 2,6 О Верхний газ 22. 49,9 2,.0. 42,1 2,0 0,3 3,6 О Составитель А. СавельевРедактор Н. Гришанова Техред И.МетелеваКорректор А. Ильин Заказ 8697/60. Тираж 568 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, ЖГ Раушская наб., д. 4/5филиал ППП ГПатентГГ г. Ужгород, ул. Проектная, 4 .-Расход потока газифицированного Газа в трубопроводе 19, как показано в примере, составляет 931 нм на .метрическую тонну. прямо восстанов:ленного железа. Этотгаэ содержит 85,5 или 796 нмвосстановителей (СО+Я). Расход потока горячего восстанавливакщего газа во входной магистрали 7 составляет 19,9 нм иэГ Г которых 88,6 нли 1,44 нм составляют восстановителн СО+Н 2 . Таким об- " разом, только 4 (СО+Н 1)Г потребных для прямого восстановления в печи 1, снабжаетсягазификатором 16. Ос тальные 54 потребности восстанавливающего газа обесдечивавтся рециркуляцией отработанного , газа иэ печи прямого. вос становления,1 Хотя в предлагаемом способе для десульфурацин газа использован десудьфуратор шахтного типа с противо- током, следует иметь в виду, что может бить использован и десульфу-;. ;ратор другого типа, такого, например, как псевдосжиженньм слоем частиц извести. Кроме того, вместо извести может использоваться любой другой десульфурирующий агент, например любой другой подходящий серный поглотитель, такой как окисть магния.В изобретении представлен, энергои термо-экономичный способ для иолучения прямого восстановления железа, в котором используется угольный газифицированний газ как источник восстановителя для прямого восстановления.1