Способ и установка для прямого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля

СОЮЗ СОЭЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (11) 13/02 15 УДАРСТНЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ Ф(1(22) (31) (32) (33) (46) (72) Уолт (71) Бюл. У 17Скарлотт ихер (США)орпорейшн (С1(088,8)США У 3842, 1974. арльз ША) 6) контуры рецир и охлаждающег ком-скрубберо твердого топл чью тр б п ов ляции колош газ ов с хол овог провод байпас тока и ном, и туром газа,3335455/214.09.81187.02415.09.80США07.05.85.Джон Комбср СанзенбаМиндрекс К669.422.11. Патент21 В 13/О(54) СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯЖЕЛЕЗА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ КАМЕННОГОУГПЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ,(57) 1, Способ прямого восстановленияжелеза в шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля, включающий противоток горячих восстановительных газов и загружаемой сверху шихты, рециркуляцию,охлаждение и очистку колошниковогогаза и смешивание его с продуктамигазификации, рециркуляцию и очисткуохлаждающего газа, а также выгрузкупродуктао т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения эффективности процесса, от продуктов газификации твердого топлива отделяютчасть потока, охлаждают и снова смешивают с основным потоком до темо, пературы 750-1050 С, затем очищают от взвесей и подают в шихту, содержащую кусковой окисный материал, твердое топливо и известняк.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что к смешиваемым потокам продуктов газификации добавляют часть охлажденного очищенного колошникового газа.3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что качество продуктов газификации имеет показатель 4-8.4. Установка для прямого восстановления железа в шахтной печи с ис- сЮ пользованием продуктов газификации каменного угля, содержащая устройство загрузки и выгрузки шихты, патрубок ввода восстановительного газа,м, а также газификатор ива, соединенный с пеу о р одом, о т л и ч а ю - с я тем, что, с целью повышеффективности процесса, трубоснабжен содержащим охладитель ом для разделения газового поустановленным за ним циклори этом байпас соединен с конрециркуляции кодошниковогоИзобретение относится к прямому восстановлению окислов железа н ниде окатьппей или крупнокусконой руды н рафинированное железо н твердом состоянии н шахтной печи. 5Наиболее близким к изобретенин по технической сущности и достигаемому результату является способ прямого восстановления железа н шахтной печи с использованием продуктов гази О фикации каменного угля, включающий противоток горячих восстановительных газов и загружаемой сверху шихты, рециркуляцию, охлаждение и очистку колошникового газа и смешивание его 15 с продуктами газификации, рециркуляцию и очистку охлаждающего газа, а также выгрузку продукта.Установка для прямого восста нов- О ления железа н шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля содержит устройства загрузки и выгрузки шихты, патрубок ввода восстановительного газа, контуры рециркуляции колошниконого и охлаждающего газов с холодильником- скруббером и газификатор твердого топлива, соединенный с печью трубопроводом 11 .30Недостатками известного способа являются его сложность, а также высокий расход угля, Основной проблемой, из-за которой процесс признается непрактичным или требует расхода35 угля н больших количествах, является то, что горячий газ, выделяющийся из прямоугольного гаэификатора, содержит незначительное количество восстановителей (СО + Н) по отно 40шению к окислителям (СО+пар НО) для его непосредственного и эффективного использования в прямом восстановлении железа.Цель изобретения - повышение эф 45фективности процесса.Поставленная цель достигается.тем, что при способе прямого восстановления железа в шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля, включающем противоток горячих восстановительных газов и загружаемой сверху шихты, рециркуляцию, охлаждение и очистку колошникового газа и смешивание его с продуктами газификации, рециркуляцию и очистку охлаждающего газа, а также выгрузку продукта, от продуктов газификации твердого топлива отделяют часть потока, охлаждают и сионаме шинают с основным потоком до температуры 750-1050 С, затем очищают от взнесей и подают в шихту, содержащую кусконой окисный материал, твердое топливо и известняк. Кроме того, к смешинаемым потокам продуктов газификации добавляютчасть охлажденного очищенного колопникового газа.При этом качество продуктов газификации имеет показатель 4-8,В установке для прямого восстановления железа н шахтной печи с использованием продуктов газификации каменного угля, содержащей устройствазагрузки и выгрузки ппты, патрубокввода восстановительного газа, контуры рециркуляции колошниконого иохлаждающего газов с холодильникомскруббером и газификятор твердоготоплива, соединенный с печью трубопроводом, трубопровод снабжен содержащим охладитель байпасом для разделения газового потока и устанонпенным за ним циклоном, при этом байпассоединен с контуром рециркуляцииколошникового газа.По данному способу необходимыприблизительно 6,1 Гкал угля длягазификации, 0,6 Гкал углерода дляреакции в печи, 0,8 Гкал угля с целью производства электричества длягазифицирующего кислорода для получения 1 метрич. т. железа прямоговосстановления с одновременным производством 3,6 Гкал чистого топливного газаСледовательно, для производства 1 метрич, т железа прямоговосстановления расходуется приблизительно 3,9 Гкал. При этом реагируеттолько 807. добавленного в шихту углерода, а избыточный углерод выпускается вместе с железом прямого восстановления и может бьггь отделен от железа прямого восстановления магнитным способом и рециркулирован длядальнейшего сокращения потребленияэнергии в ходе процесса,На чертеже представлена схемаосуществления предлагаемого способа.Футерованная огнеупорным кирпичомпротиноточная печь 1 шахтного типас восстановительной атмосферой имеетустановленную сверху загрузочную воронку 2, в которую подается окисьжелеза 3 в виде окисных окатьппей11551 Чистый горячий восстановительный газ подается в печь 1 через впускную трубу 10 для горячего восстановительного газа, а затем через множество газовускных отверстий 11, расположенных в стене из огнеупорного кирпича 12 в средней части печи. Горячий восстановительный газ движется внутрь, а затем вверх в противоположном направлении относительно опускающейся шихты (по стрелкам 13). Богатый СО отработанный восстановительный гаэ (колошниковьй газ) покидает шихту 7 около колошника на уровне засыпи 14, образуемой углом естествен 30 ного откоса материалов, поступающих через подающую трубу б для окислов, через гаэоотводную трубу 15, охлаждается и очищается от пыли в холодильнике-скруббере 16 и удаляется из З 5 системы в.виде чистого отопительного газа через трубу 17.Нижний участок печи 1 имеет охлаждающую рециркуляционную схему газоотвода для охлаждения восстановленного железа до его выпуска, состоящую из впускного отверстия 18 для охлаждающего газа, соединенного с распределительным устройством 19 охлаждающего газа в печи 1, уловите- "5 ля 20 охлаждающего газа, расположенного над распределительным устройством внутри печи, трубы 21 для выпуска газа и внутренней системы рецирку ляции газа, состоящей из холодильни О ка-скруббера 22, рециркуляционной воздуходувки 23 и примыкающих трубопроводов.Газообразователь 24 ископаемого топлива имеет соединенные с ним кис лородный инжектор 25, паровой инжектор 26 и форсунку 27 для ископаемого топлива. Кислород или кислород и пар 3и/или природной крупнокусковой руды, углерод (кокс) 4 и известняк 5 с номинальным размером частиц 5-30 мм, Загружаемые материалы опускаются в печь через подающую трубу 6 для об разования внутри печи шихты 7. Восстановленные окатыши железа и/или кусковой продукт, непрореагировавший углерод, сульфид кальция и непро. реагировавший известняк или известь 10 отводятся иэ нижней части печи через спускную трубу 8 с помощью разгрузочного конвейера 9, скорость движения которого контролирует скорость прохождения шихты 7 чере.з печь 1. 15 поступают через инжекторы вля газификации ископаемого топлива ила угля, лигнина или древесного угля в газаобразователь 24 с целью получения горячего угля, который выходит из газообразователя через трубу 28 и цалее поступает к разделителю 29.Неорганические остатки сгорания после газификации топлива удаляются из газообразователя 24 через золоудалитель (не показан). Основная часть горячего газа иэ газообразователя в трубе 28 пропускается сквозь нагретое отверстие 30, которое создает сопротивление потоку и принуждает меньшую часть горячего газа пройти через отводной трубопровод 31 и холодильник 32. Затем охлажденньп газ проходит через трубу 33 и контрольный клапан 34 до смешивания с горячим газом в трубе 35. Температуре смешанного газа из газообраэователя в трубе 36 измеряется термопарой 37, которая соединена с управляющим устройством 38, контролирующим положение клапана 34. В отдельных случаях охлажденньп отработанный колошниковьп газ на выходе) могут быть частично или полностью рециркулирован в трубопроводе 39 как отпущенный газ. Отходящий газ содержит затвердевшие частицы из газообразователя, которые удаляются в циклоне 40. Обеспыленный отходящий гаэ отводится из циклона по трубе 41 через впускное отверстие для восстановительного газа.11 ротивоточная шахтная печь признана самым эффективным средством для производства железа прямого восстановления. В таких печах горячий восстановительный газ служит для нагрева поступающей холодной окиси железа до восстановительной температуры, а также для получения восстановителей (СО+И), необходимых для химического восстановления окиси железа в рафинированное железо. Опыт промышленной эксплуатации работающих на природном газе установок показал, что для полного использования химической эффективности противоточной шахтной печи с восстановительной атмосферой восстановительный потенциал горячего газа, т.е. его качество, которое определяется соотношением восстановителей (СО+11) и окислителей (СО+Н О), должно быть не менее 8.При газификации пылевидцого твердого ископаемого топлива типа угля Или лигцина в таком газообраэавдтеле с неполным окислением, как гаэообразователь 24, который производи горя чий гаэ, содержащий, в основном, СО, Н, СО и НО, наилучший показатель полученного промышленным способом горячего газа равен 3-4.Изобретение предусматривает повышение качества газа в той ке шахтепечи, в которой происходит прямое восстановление, и, таким образом, отпэдает необходимость в дополнительном дорогостоящем и сложном оборудовании. 15Да настаяеГО времени считалось непрактичным осуществлять реакцию окисления углерода (коксд) при )еературах нилсе 950 С, пас кольку при более низких температурах сиисдс тся скорость реакции. По этой причине реакции по обога 1 ению необходимо бы- ло осуществлять при температурах о. -о1350 С (тепература потока газа, вытекающего из гаэоооразоватегя) до 25 950 С. а затем охлаждать обогащенный гаэ до 815 С и ц)ке для его спольэОВания 3 печи гр 51 мОГО вссстаьоле)ия, В хода лабораторных цсслелованп ус - тановлено, что углея)д прдктн сск: реагирует с Н, 0; СО. таже ри 1 асо 1 низкой температуре. как 750 С. если реакция мояет проходить в Течение относительно длительного периода. Времени. Кроме того., горячий гаэ иэ газаобразователя может быть г)веден зшахту печи прямого восстановления,ей 950 но до 1050 С это не приве,сет к с:слеиванию метая 1 зро)анных частиц в ШИХтЕ ПРИ УСЛОВИИ) ЧТО В 1 ЬсХТЕ с 11- сутствует углерод для эдоермие )сага реаг 1 рс)ва 1)я, По существу, углерод реагирует с охлаждеГнем печной шихть. Правильна сконструированная шахт- ная печь пряного восстановления предусматривает минимум 6 ч нахожления в шахте твердого материала и соответственна длительное время нахождени-: В НЕй Гаэа ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РРДК)сИ прямого восстановления. Путем увеличения объема печи можно без труда ибез особых затрат предусмотреть )гиясе более длительный период нахо)кде)ся 55 материалов в печи. Дапнье длГ ель)ье периоды позволяот практически Осуществить реас 1 ю углерода при парм;сь 10)1 экслудтаи нпой температуреВ ХОД Е П 1) 0 Ц.н С С Д 11 Р 51 МС) Г 0 В О С С Т Д Н 0 ВЛ Р ния в шахтцс)й;с.чи (750-90( С, .ИзОбре Гение, таьч 1 ОбааэОм, ОГ)ес 1 ечВдет значительное снижение издержек пр аэ во)1 с Гва 110 сравнеиО с из вестной технологией,Описание изобретения в действии ОС 1 авана )Я Гдзигка.ии гОл)битуминоэцого угля с использованием кислорода, Е 1, О и;Мчегцдого угля в газообрдзовдтеле с нзвешецным слоем частиц, который производит Горячий ГЯЗ ) С 0)1 С)ржс 1 щ 1 ИВ )С 1) 13101 СОН С), И ЕЕО :; - .1 Л .",1 У.)аДП)фгСДЦИИ Этой ТЕ)ЕП ".-):.: Г, па) ЗОЛа ПЕРЕХОинт В )КИСС)С. С.)СГОЯ 1 Ен ВОДа ОХ 5 адается 11, .;спа ч. э 1 яс)е 1 час -ТИ с 1 З 001)РсЭ оватслн В Н )Са К 11 акаЕ;.) г 1 - : ов.;. Лс)рс)д и др р .ГЕуот п "аз с)0 )раз;и;дтеле 1;:3 с 0)с С:. . Р с.тнс) 1 : 1 з "за 1 П 1. С сп; Г С ", с )" Рчя1 ЯЯС).;Е 101;ОЕ,СОВ :.". ) Н)н)П 001)Еа 110, 111),1 , Ы,:,:;,:.;);с .ТСя даг; - , -, с Ол )с са 1)1 еися1н"Ь:Жх 1". 1.,)0011 л, ;: .э снес)1 железНК 1" ) сс)1 ы" с"и:5. . ) 7 Дной КО уП 10 Су.;СОВО;Г);Ь с Г:,ОДСОДСнржаЩРГО атер 1 аа в сп.рмс. Нас)тиц типа кокса и Ча; Т) сЭ.;С)СТ,;)гка . Лпя ОбЕСГ 1 ЕЧЕНИЯ хорошей )э 1:1,:)сстгг размеры частиц1155162 углерод реагирует с СО и Н О в вос. становительном газе с образованием СО и Н,. Горяча шихта охлаждается в зоне вторичного охлаждения печи и выпускается через тыттускную трубу 8 5 печи ца разгрузочный конвейер 9. Полученный из печи продукт состоит из железа прямого восстановления, непрореагировавшего углерода, непрореагировавшей извести или известняка и 10 сульфида кальция. Железо прямого восстановления может быть подвергнуто магнитной сепарации дпя использования в дуговых электропечах или просФто грохочению для использования в до менцых печах.Горячий газ, содержащий СО и пары Н 20, подается в тпхту через впуск - ные отверстия 11 при температуре около 950 С с качеством 4,8, и СО и Н О 20 реагируют с углеродом,Ввиду длительности нахождения компонентов в шахтной. печи эти эцдотермические реакцтп ттродолжаются и охолаждают газ до почти 750 С с одновре - 25 менным обогащением газа в шихте до показателя качества 8, что пригодно для эффективной эксплуатации печи прямого восстановления.В поступающем при 950 С в шихтуо, орячем газе концентрация серь составляет порядка 4 100 ч. на миллион в конкретной указанной разновидности угля. Сера находится в виде ПБ ц СОЯ, оба этих компонента реагируют35 с известью. Т а блица 1 Газ Участок Потоки газа Качество газаНизкийпоказатель Высокийи, яд з, гель Низкий Высокий показатель показатель 4,1 1941510 10,8 7 у 1 На отводе 8,8 1884 149 б 10 Восстановительный Обогащенньпт 19,5 1577 8,0 1992 От газообразователя 28 Сочетание относительно низкой температуры (950 С) с обсте,.рдо нц цх окцслителец (СО+1 О) сс собствует удалению Н 8 и СОН известью. Компоненты серы, с тг рке:я в газе, редпочтительцее рва круп г с известью в шцхте, содержащец известь и железо прямого тто,:с:тацовтс. - ния. В итоге получают ццзкасерцисгое железо прямого восстановления, Требуемое количество известняка залс:ит от содержания серы в угле, Количество СО +Н. О, образующееся в ходе указанных реакций обессерцванця, составляет лици небольшую часть от общего газа и оказывает незначительное воздействие ца качество участвовттвшего в реакцтпт газа СО, ттысобстпгцгтй в ходе кальг и 1 отаня изнсгстцлБ негашенную известь, также с казня:тст лишь не 3 нячтттевс.с вопд сЙсР11; качество газа (оба этих цезстч ке, ных включения - СО +Н О - ччтентф при2с ос тавле ции приводимых таблиц),Все сведенные в таблицы дант,еоснованы ца получении (1) мс:трнч.т железа прямого восстановлеьчтя состепенью металлцзаццц 92 Е и ссдсржанием углерода 1,5 . В табл.1 представлены данные о расходе газа и качестве газа (отношение восстановителя к окислите:тю) ца участках, соответствующих ссылкамца чертеже.10 1155162 11 родолжение табл.1 11 отоки газа Участок Качество газа Газ+поток в Нм Низкий Высокий Низкий Высокий показатель показатель 14 1996 1577 1,4 1827 1453 1 ь 7 ф В стандартных кубических метрах. Продолжение табл 3 В табл.2 представлены данные о потребности в исходных материалах для угольного газообразователя 24. 25Таблица 2 Материалы Содержание, кг изкий Высокий показа- показатель тель ОтведенныйСаБДобавка обога 2 19,щенного углеродаВсего прореагировало углерода Отведенный не- прореагировавший углерод 7 54,5 Сушенка, кг 43,2 8,3 26 3 4,О,слород, нм8% 0) 3 4 а бли 4 едены потребностлах и продукций,ой печи 1 прямогв табл.4 - рас п оказател ергия, Гкал ход Высо э пока- зател оказ 45 абли Содержание, кг териалы Высоки з Газообраватель показатель ока ел Добавка обо)тработанньп восстановительный Охлажденнь колошниковый топливный на выходе В табл.3 приисходных материлученной в шахтвосстановления,энергии. показатель показатель11 1155162Продолжение табл,4 5 к шахте прямоговосстановления Охлажде н цыцколошниковый 50 оцливцыи аз на вы После реакцис углеродом 3,6 2,3(в шахте) Расход восста 3,3 цовлен 15 На выход 30 кВтч реобразо ельно ности шахты прямог представленадельных участ 6 15 цесса. и а а Участок 40 ро и 7 показаны результат в указанных местах пр за газификатора с ка(низкий показатель) и (высокий показатель) с о абл.6 а газ 8 анали цесса е из ника для г м 4,1 еств на отводно еством 8,0 рубе ветственно а а Н 20 ф ылоч- СО,Концентчасток ац ом 0,0 7,8 2 аз образовате 0 Выход иника н холодиль- тводной, О ОО бе 8, 4100 5 8,0 . 3 0 ахт После реа углеродом 4,4 7,4 0,1+ Приблизи ной эффекти На табл. ра газа наНа выход газообра теля На выход холодиль при 307 ания.мператух проосстановлеияосле реакии с угле,2 117 0 Продолжеп 1 е табл серы14 1155162 13 Продолжение табл.6 7. Н 0,7. Н % участок СО, 7. С 0,7. Ссыпочный номер лион(об.) На выходе иэ шахтыпрямого восстановления 14 Топливный газ навыходец 0 Таблица 7 НО, 7 Участок СО, 7 СО, 7 Н,7. гфСН 4 " "ф 7 Газ газообраэователя 0,1 0,9 40130 57,4 4,6 30,3 6,3 Выход из холодильника на отводнойтрубе 591 47 312 36 01 09 4100 33 К шахте 57,9 4,6 30,6 5,4 О, 1 0,9 4000 41 После реакции суглеродом 13 Выход из шахтыпрямого восстановления 14 Топливный гаэ навыходе 0 17 3218 28 ф 4 261 11 ь 2 Оь 1 1 ф 4 358 310 285 3,0 01 16 Ю Теплотворность несущего топлива 1959 Ккал/Нм (ННУ),611 34 331 14 01 09 33,5 30,1 23,9 10,6 0,1 1,7 36,4 32,7 26,0 3,0 0,1 1,8 Фф зТеплотворность несущего топлива 1904 КкалНм (ННУ). Концентрациясеры1155162 Составитель А.СавельевРедактор И.Николайчук Техред А.Кикемезей Корректор В.Бутяга Заказ 2745/46 Тираж 553 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Подписное филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 Предлагаемьп способ получения железа прямого восстановления с использованием вырабатываемого угольным газообраэователем газа в качестве источника восстановителя с одновременным получением чистого топливного га.за для дальнейшего использования после его отвода с установки является энергетически ни д., а также "и,"- фектВцлм как способ ир 5 м 01) ц(; иоТ ь- зсвания горяча г)азв от угльн о газифцкатора путем увеличения восста-.5 нпвтельного потенциал газа От глзообразователя посредством реакции с уг.е" родом в той же шахте печи, ко ороц происходит прямое восстацов.и.цис железа.