Способ прямого восстановления железа при использовании высокосернистого газа

О П И С А Н И Е 978735ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Сов етскинСоциалистическикРеспублик К ПАТЕНТУ. Опубликовано 30, 11. 82Бюллетень еДата опубликования описания 30. 11.82ИностранцыВильям Артур Арендт и Дональд Бегз(72) Авторы изобретения Иностранная фирма( США)5 Й) СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОСЕРНИСТОГО ГАЗА 1. Прямое восстановление окиси же;лева из агломерированных окатышей или кусковой руды до металлического желаза в твердом состоянии в последние годы становится реально . стью на многих заводах прямого восстановления во всем мире. Общая годовая производительность этих заводов, находящихся в работе или строящих ся, превышает 15 миллионов тонн в . 1 о пересчете на металлизированный продукт прямого восстановления железа который используетсякак шихта для электродуговых сталеплавильных печей. Мировая потребность в этом до полнительном прямовосстановленном железе имеет тенденцию к увеличению в значительной степени на протяжении многих лет для удовлетворения растущей потребности в подобной шихте, твк как строятся дополнительные сталеплавильные заводы с электродуговыми печами. Большая часть коммерческих предприятий, производящих железо прямого восстановления, использует природный газ в качестве восстановителя. Природный газ обрабатывается для получения восстановителей СО и Н . Наименее энергоемкими и наибо 2лее продуктивными из заводов прямого восстановления с использованием технического природного газа являются заводы, применяющие Мидрекс-процесс, который включает в себя непрерывную катализацию природного газа ,с использованием в качестве окислителей СО и остаточных водяных паров в охлажденном,ретциркуляционном, отработанном восстановительном газе, отходящем от восстановительной печи.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ пря мого восстановления железа, включающий противоток загружаемого в шахт 978735ную печь сверху дисперсного материала и горячего обессеренного восстановительного газа, состоящего из смеси рециркулируемого колошникового и конвертированного природного газов, последующее охлаждение восста новленного продукта и рециркуллцию охлаждающего газа 11 .Однако при конвертировании природного газа или других газов, со держащих углеводороды, необходимо поддерживать на очень низком уровне содержание серы в газовой смеси, прошедшей преобразование для исключения отравления катализатора. Мак симальный уровень содержания серы, допустимый в процессе, составляет примерно 2-3 цасти на миллион по объему (млн"объем) во вновь получаемой смеси. Для достижения такого низкого уровня содержания серы часто требуется сложная и дорогэл операция обессеривания газа прежде , чем он может быть использован в процессе в качестве толли- д ва. Во многих промышленноразвитыхстранах в кацестве топлива используют коксовый газ. Однако он включает в себя определенные серусодержащие компоненты, например СОВ йС 4 Н 45-тиафен,В предлагаемом способе процесспрямого восстановления усовершенствован, так как газ для восстановле 35ния проходит обессеривание в вос становительной печи новым и болееэффективным способом вступления вреакцию серы, содержащейсл в технологическом топливе, с горячим40прямовосстановительным железом,прежде, чем технологическое топливо допускается в преобразователь.Сера, содержащаяся в технологическом топли ве, передается железуво время процесса восстановления,допустимый уровень содержания серыв технологическом топливе может, достигать 400 млн обьем без введения нежелательного количества .:еры фв продукт восстановления железа. Такое обессеривание на месте технологического топлива делает практицески возможным использование при прямом восстановлении железа технологи- Зческого топлива, которое очень трудно обессерить вне данного процесса,яапример, коксового газа или приводного газа, содержащих органическиесоединения серы,Восстановительный газ вводят надвух вертикально разделенных уровнях, но на каждом уровне он имеетразличный состав. Кроме того, обагаза вводятся по периферии шахтнойпечи и при различных температурах,Цель изобретения - повышение эффективности процесса восстановления.Поставленная цель достигаетаятем, что согласно способу прямоговосстановления железа при использовании высокосернистого газа, включающему противоток загружаемого вшахтную печь сверху материала и горячего обеесеренного восстановител ь-",ного газа, состоящего из смеси рециркулируемого колошникового и конвертированного природного газов, последующее охлаждение восстановленного продукта и рециркуляцию охлаждающего газа, обессеривание метансо"держащего газа производят нагревомдо 600-775 оС перед смешиванием этогогаза с рециркулируемым восстановительным и подацей полуценной смеси в зону предварительного восстановленияв точке выше подаци основного потокавосстановительного газа.Бысокосернистый газ смешивают совсем потоком восстановительного газа.На чертеже приведена схема осуществления способа.Схема включает футерованную огнеупором восстановительную печь 1 шахтного типа шихтовой метериал 2 из окисленного железа, т.е. окатыши, кускиприродной руды или смесь окатышейи кусков руды, имеющих номинальныйразмер цастиц 5-30 мм, вводится взагрузочную воронку 3 и в печь череззагрузочную трубу 4 для заполненияпечи шихтои 5. Продукт прямого восстановления железа выводится из нижней части печи через разгрузочнуютрубу б при помощи разгрузочного конвейера 7. скорость которого регулируется скоростью прохождения шихты 5через печьСредняя часть трубы 1 снабженавпускной трубой 8 для горячего восстановительного газа, соединенной с несколькими отверстиями.9 для впускагаза в огнеупорной стенке печи. Впуск.ная труба 10 для горячего восстановительного газа соединена с несколькими отверстиями для впуска газа, расположенными. на уровне, превышающем9787 уровень расположения отверстий 9.Горячий восстановительный газ, кото"рый состоит из смеси горячего рециркулированного восстановительного газаи горячего газообразного технологицес кого топлива, вводимый через отверстия11, вдувается внутрь, а затем движется вверх Против опускающейся шихты. Горячий восстановительный газ,вводимый через отверстия, также вду=10вается внутрь, а затем движется вверхпротив опускающейся шихтыГорячийвосстановительный газ из отверстий9 при своем движении вверх сначалазаполняет поперечное сечение шихты, 15а звтев примерно на уровне отверстий11 сосредотачивается ц центральномрайоне шихты благодаря вдуванию горячего довосстановительного газа че-.рез отверстия 11В верхней части печи два газовых потока сливаются вместе и заполняют все поперечное сецение печи и выходят из шихты черезуровень 12 засыпки и выходят далееиз печи через верхнюю трубу 13 выпуска газа. Верхний газ, который выходит из печи через выпускную трубу. 13,предсталяет собой смесь отработанного восстановительного газа итехнологического газового топлива.В нижней части печи 1 предусмотрен охлаждающий газовый контур дляохлаждения прямо восстановительного железа перед выгрузкой. Этот охлаждающий контур включает в себявпускной патрубок 14, соединенныйс элементом 15 охлаждающего газа, находящимся внутри печи 1, и элемент16, собирающий охлаждающий газ,расположенный внутри печи над распределительным элементом, а также выпускной патрубок 17 для охландающего газа и наружную систему циркуляции газа, имеющую скруббер-охладитель 18 и циркулярный вентилятор 19.Верхний гаэ, выходящий иэ пеци 1,через выпускную трубу 13, охлаждается и очищается от пыли в охладителе-скруббере 20 и выводится по трубе 21. Большая часть охлажденноговерхнего газа, проходящего по трубе,сжимается компрессором 22 и затемвпускается в выполненные из жаростойкого сплава трубы преобразовате 55ля 23, одна из которых показана начертеже, Каждая труба преобразовате"ля заполнена кусками огнеупора вовходной части трубы, а остальная,35 6большая часть заполнена никелевым ,или кобальтовым преобразующим катали.затором 24.Трубы преобразователя заключены .в футерованную огнеупором преобразовательную печь, имеющую несколькогорелок 25 (показана одна) и газоотводную трубу 26 для отвода сгорев.-ших в горелке газов иэ преобразова"тельной печи. Большая часть охлажденных верхних газов. проходящих по трубе 21 вместе с топливом от внешнего источника 27, направляется вкаждую горелку через трубу 28, Отработанные сгоревшие в горелке газы из газоотводной тру ы 26 используютсяв теплообменнике для предварительно-.го нагрева (не показан) предназначенного для сгорания воздуха, который поступает в каждую горелку отисточника 29.Нагреватель 30 газообразного технологического топлива, снабженный нагревательными трубами 31, изготовленными из жаростойкого сплава (показана одна), предусмотрен для нагрева газообразного технологического топлива, поступающего из источника 32. Тепло подается в нагреватель от горелок 33 показана одна) топливо для сгорания в которые поступает от источника 34, а воздух для сгорания от источника 35. Отработанные, сгоревшие в горелке газы выходят из нагревателя через гаэоотводную трубу 36, Нагретое газообразное технологическое топливо подается в восстановительную печь 1 последовательно через труоы 37 и 38 и трубу 1 О для впуска восстановительного газа.Первая, большая часть газа, выходящего иэ труб преобразователя 23, доставляется к впускной трубе 8 для горячего, восстановительного газа в виде горячего рециркулированного вос", становительнрго газа через трубы 39 и 40. Вторая, меньшая часть горячего газа, .выходящего из труб преобразователя 23, проходит через трубу 41 и клапан 42, затем смешивается с нагретым технологическим газообразным топливом в трубе 38 и эта смесь становится горячим предвосстановительным газом, который подается в пець 1 через входную трубу 10. Технологический газ должен быть нагрет до достаточно высокой темперао ) туры (предпочтительно свыше 650 С)35 8Однако предпочтительны более высокиетемпературы, так как примерно 800 Сснеобходимо для прямого восстановления окиси железа, Некоторые окатыши проявляют склонность к слипанию при 800 С и должны восстанавлисваться при более низких температурах. Практически нижний предел температуры газа во входной трубе 8 составляет 750 сСДалее приведен специальный примерс использованием содержащего серу коксового газа в качестве технологического газообразного топлива, как вкачестве топлива для горелок, так ив преобразовательной печи и в нагревателе технологического газообразного топлива. Уровень содержания серы,/принятый для коксового газа в этомпримере, составляет 200 млн обьем,что составляет уровень содержаниясеры, обычно достигаемый в простомпроцессе и с одной стадией обессеривания, Газ с таким содержанием серы хотя и непригоден технологическидля процесса преобразования, ноочень хорошо подходит в качестветоплива для горелки,Горячий восстановительный газ изтруб преобразователя 23 поступаетв восстановительную печь через впускную труЬу 8 при температуре примерно 9000 С. Горячий предвосстановительный газ, который представляет собойсмесь имеющего 900 С газа из трубпреобразователя и от подачи имеющего750 С коксового газа, из нагревательных труЬ 31 проходит в восстановительную печь через впускную трубу10 при температуре примерно 800 С.о(онструкция восстановительной печиобеспечивает время нахождения шихтыв печи примерно в течение 4 ч от уровня 12 засыпки до отверстий 11 и в течение Ь ч от уровня 12 засыпки доотверстий 9, в результате чего высокая степень прямого восстановленияокиси железа до металлического железа достигается в довосстановительнойзоне выше отверстий 11 с окончательной степенью прямого восстанов.ления, достигаемой в зоне восстановления между отверстиями 9 и 11.В предвосстановительной зоне СОи Н 2, содержащиеся в горячем предвосстановительном газе и в горячемвосстановительномтекущем вверх. иззоны окончательного восстановления,уже восстанавливают окись железа,9787чтоЬы смесь технологического газаи отведенного нагретого верхнего га"за имела высокую температуру дляосуществления прямого восстановления окиси железа. бПредлагаемый способ включает полное смешивание содержащего серу технологического газа, например, коксового газа, природного газа с горячим очищенным восстановительным га- Юзом для образования восстановительной газовой смеси. Эта смесь вводится в зону восстановления печи через единую газораспределительную иЮфурменную систему, Такой процесс 5может быть выполнен в аппаратуресм, чертеж) перекрытием клапана 13на трубе 38,В технологии оЬессеривания газообразных топлив, таких как природный газ, доменный или коксовыйгазы, известно, большое число разработанных коммерческих процессовудаления Н 5 ( сероводорода) из подоЬных газов за одну стадию обессеривания. Однако удаление С 05 (карбонила серы) и органических соединений серы таких как тиофен (С 4 Н 45),требует использования сложного и дорогого многостадийного процесса обес-щсеривания для гидрогенизации и пре 5образования сернистых соединений вН 25 прежде, чем такие виды соединений серы могут быть удалены.В лабораторных экспериментах оьнаружено, что СОВ и органические соединения серы могут быть удалены изгазов при взаимодействии с горячими,окатышами прямовосстановленного железа в присутствии водорода, Прямовосстановленное железо при низкихтемпературах не эффективно . дляудаления таких сернистых соединений,но оно эффективно при температурахпримерно 7000 С и выше. Механизм такого удаления серы точно неизвестен,но можно полагать, что горячее прямовосстановленное железо становитсяэффективным катализатором для превращения этих сернистых соединений вприсутствии водорода в НБ, которыйзатем химически взаимодействует сжелезом. В любом случае сера переходит из газа в прямовосстановленное железо..Поэтому газовая смесь, которая5подается во впускную трубу 1 О, долж"на иметь температуру, превышающуюпримерно 700 С для удаления серы.Газ 1007 Прорва гировавший газ (13) От преобразователя (40).1 901 1320 Возвращающий-.50 ся газ (22) 1525 У нижних выпускных труб (41) 922 Питание газом.преобразоватеПреобразованныйгаз из верхнихвыпускных труб ля (24) 55 Возвращенныйгаз у горелки преобразователя (29)(42) Нагретый технологический газ (38) б 09 440 т содержащуюся в шихте, до степениметаллизации примерно 9 М, Основываясь на лабораторных испытанияхи техницеском опыте установлено,что метан, присутствующий в предвосстановительном газе"из коксового газа, не расщепляется в какой-либо заметной степени при его прохождении через предвосстановительную зону при 800 С вследствие равновесия с водородом, уже присутству-.ющим в газе. Поэтому отработанныйгаз или верхний газ, выходящий изшихты пеци через уровень засыпкии через трубу 18 для выпуска, газа из печи, содержит непрореагировавшие восстановители СО и Н 2,окислители СО и НО , полуценныев процессе восстановления, и метан.В охладителе-скруббере 19 для верхнего газа большая часть паров НОконденсируется из верхнего газа,приводя.,к тому, цто газовая смесь В табл. 2 приведены данные по газовым потокам в процессе в обозначенных местах расположения на чертеже. м/г.,78735 10становится подходящей для конверсии в трубах преобразователя 23 приполучении горячего восстановительного газа, В трубах преобразователя СО и остаточный водяной пар вохлажденном и очищенном от пылирециркулируемом газе, служат в качестве окисЛителей для конверсии метана.1 В табл. 1-3 показаны результатывсестороннего анализа предлагаемогоспособа на 1 т, продукта йрямоговосстановления железа, имеющегостепень металлизации 92 и содержа ние углерода 1,54. Это широко распространенные технические стандарты,для прямовосстановленного железаполученного на природном газепрямого восстановления.20 В табл. 1 показан расход топлива,требуемого для процесса. Коксовыйгаз имеет наивысшую теплоту сгора"ния 4618 ккал/м (19318 кДж/м )., Таблица 1Газовая смесь у верхних выпускф 5 ных труб (39)11 978В табл. 3 приведены данные газового анализа в обозначенных местах расположения, 3. 1 г(млн ) Газо СО СО 2 Н 2 Н О 9 6,2 2,5 51,5 5 Технологическое топливо (38) 1,8 54,3 3,0 28,7 5,4 6,8 200 У верхних выпускныхтруб (39) 17,1 2,1 53,2 3,8 18.,1 5,7 13,1 12 1 31 3 23, 10,5 6,0 121 Верхний газ (13) 16,7 16,5 12,7 1,5 13,1 7,5 Очищенный возврат" ный газ В предлагаемом способе в кацестве газообразного технологического топли-. ва вместо коксового газа чаще ис.пользуется природный газ, необходимое объемное количество которого составляет примерно половину коксового газа вследствие поцти вдвое большей теплотворной способности природного газа. При этом в природноМ газе допу сти мо содержание при мерно 100 млн объема без введения чрезмерного количества серы в жепезосодержащий продукт. никового оборотного и конвертирован 25 ного природного газов, последующееохлаждение восстановленного продукта и рециркуляцию охлаждающего газа, о т л и. ц а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения эффективносЭО ти процесса восстановления, обессеривание метансодержащего газа произвоодят разогревом до 600-775 С перед смешиванием этого газа с рециркулируемым восстановительным и путем подачи полученной смеси в зону предварительного восстановления в точкевыше подачи основного потока восстановительного газа.2, Способ по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, цто выкокосернистыйгаз смешивают со всем потоком восстановительного газа.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США М 37 Й 8120,кл. С 21 В 13/60, опублик, 1979. 1 Способ прямого восстановления железа при использовании высокосернистого газа, включающий противоток загружаемого в шахтную печь сверху материала и горячего обессеренного восстановительного газа, состоящего из смеси рециркулируемого.колошПримерно 0,0184 серы добавляет"ся к металлизированному железному Преобразованный газ (ч 0) 32 Формула изобретения 735 12продукту при помощи передачи серы от газообразного технологического топлива, Это ниже допустимого предела на 0,033 для использования железа прямого восстановления в электродуговом производстве стали.Таблица978735 Сост ави тел ь А. Савел ьеРедактор И, Ковальчук Техред З.Палий ектор У. Пономаре э е 5 ли ал ППП "Патент", г . Ужгород оектн Заказ 9258/79 ВНИИПИ Гос по де 1 13035, ИоТираж 587 Подп дарственного комитета СССР ам изобретений и открытий ква, Ж, Раушская наб.,