Спосіб прямого відновлення твердого матеріалу з застосуванням одного псевдозрідженого шару

1. Спосіб прямого відновлення металовмісного матеріалу, який включає подавання металовмісного матеріалу, твердого вуглецевмісного матеріалу, кисневмісного газу та псевдозріджувального газу у псевдозріджений шар у реакторі та підтримання псевдозрідженого шару в реакторі, принаймні часткове відновлення металовмісного матеріалу в реакторі та виведення з реактора потоку продукту, який містить принаймні частково відновлений металовмісний матеріал, який відрізняється тим, що він включає (a) відновлення металовмісного матеріалу у твердому стані у збагаченій металом зоні в реакторі; (b) введення кисневмісного газу у збагачену вуглецем зону в реакторі у формі потоку, спрямованого униз під кутом у межах ±40° відносно вертикалі та вивільнення тепла шляхом проведення реакцій у псевдозрідженому шарі між киснем та металовмісним матеріалом, твердим вуглецевмісним матеріалом та іншими твердими речовинами та газами, що піддаються окисненню; (c) та перенесення тепла зі збагаченої вуглецем зони до збагаченої металом зони за рахунок руху твердих матеріалів у реакторі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що він включає введення кисневмісного газу у формі потоку, спрямованого униз під кутом у межах ±15° відносно вертикалі. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що він включає створення збагаченої металом зони у нижній частині реактора та збагаченої вуглецем зони у проміжній частині реактора. 2 (19) 1 3 85509 14. Спосіб за п. 12 або п. 13, який відрізняється тим, що положення фурми та, більш конкретно, висота вихідного кінця наконечника фурми у реакторі визначаються з урахуванням таких факторів, як швидкість введення кисневмісного газу, тиск у реакторі, добір та кількість інших вихідних матеріалів, які подають у реактор, та густина псевдозрідженого шару. 15. Спосіб за будь-яким з пп. 12-14, який відрізняється тим, що принаймні наконечник фурми охолоджують водою. 16. Спосіб за будь-яким з пп. 12-15, який відрізняється тим, що зовнішню поверхню фурми охолоджують водою. 17. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що кисневмісний газ вводять через центральну тр убу фурми. 18. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що кисневмісний газ вводять зі швидкістю, достатньою для утворення поблизу наконечника зони, практично вільної від твердого матеріалу. 19. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає введення в реактор азоту та/або водяної пари, та/або іншого придатного обдувального газу та обдування зони виходу наконечника фурми. 20. Спосіб за п. 19, який відрізняється тим, що обдувальний газ вводять у реактор з лінійною швидкістю, яка становить щонайменше 60 % лінійної швидкості кисневмісного газу. 21. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає подавання металовмісного матеріалу, твердого вуглецевмісного матеріалу, кисневмісного газу та псевдозріджувального газу у псевдозріджений шар та підтримання псевдозрідженого шару, який включає (а) низхідний потік кисневмісного газу, (b) висхідний потік твердого матеріалу та псевдозріджувального газу у протитечії до низхідного потоку кисневмісного газу та (с) низхідний потік твердого матеріалу ззовні від висхідного потоку твердого матеріалу та псевдозріджувального газу. 22. Спосіб за п. 21, який відрізняється тим, що тверді матеріали у висхідному та низхідному потоках твердих матеріалів нагрівають теплом, яке вивільнюється при реакціях між кисневмісним газом, твердим вуглецевмісним матеріалом та іншими матеріалами, що піддаються окисненню, у збагаченій вуглецем зоні. 23. Спосіб за п. 21 або п. 22, який відрізняється тим, що згадані висхідний та низхідний потоки твердих матеріалів екранують бічну стінку реактора від радіаційного тепла, яке вивільнюється при реакціях між кисневмісним газом, твердим вуглецевмісним матеріалом та іншими твердими речовинами та газами, що піддаються окисненню, у псевдозрідженому шарі. 24. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що металовмісний матеріал має форму залізорудного дрібняка, а частинки руди мають розмір менше 6 мм. 25. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що згадані частинки дрібнозе 4 рнистого матеріалу мають середній розмір у межах від 0,1 мм до 0,8 мм. 26. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що вуглецевмісним матеріалом є вугілля. 27. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що псевдозріджувальний газ включаєвідновлювальний газ, наприклад СО та Н2. 28. Спосіб за п. 27, який відрізняється тим, що вміст Н2 у псевдозріджувальному газі добирають так, щоб він становив щонайменше 15 об. % від загального об'єму СО та Н 2 у газі. 29. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає виведення потоку продукту, який включає принаймні частково відновлений металовмісний матеріал, з нижньої частини реактора. 30. Спосіб за п. 29, який відрізняється тим, що потік продукту включає також інші тверді речовини, а з потоку продукту відділяють принаймні частину інши х твердих речовин. 31. Спосіб за п. 30, який відрізняється тим, що відділені тверді речовини повертають у реактор. 32. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає виведення потоку відхідних газів, який включає захоплені тверді матеріали, з верхньої частини реактора. 33. Спосіб за п. 32, який відрізняється тим, що він включає виділення захоплених твердих речовин з потоку відхідних газів. 34. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає підтримання циркулюючого псевдозрідженого шару шляхом відділення захоплених твердих речовин від потоку відхідних газів та повертання твердих речовин, відділених від відхідних газів, у реактор. 35. Спосіб за п. 34, який відрізняється тим, що відділені від відхідних газів тверді речовини повертають у нижню частину реактора. 36. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає попереднє нагрівання металовмісного вихідного матеріалу відхідними газами з реактора. 37. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає оброблення відхідних газів після стадії попереднього нагрівання та повернення принаймні частини оброблених відхідних газів у реактор як псевдозріджувального газу. 38. Спосіб за п. 37, який відрізняється тим, що оброблення відхідних газів включає одну або кілька таких стадій: (а) видалення твердих матеріалів, (b) охолодження, (с) видалення Н 2О, (d) видалення СО2, (e) компримування та (f) повторне нагрівання. 39. Спосіб за п. 37 або п. 38, який відрізняється тим, що оброблення відхідних газів включає повернення твердих матеріалів у реактор. 40. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що ступінь металізації потоку продукту перевищує 50 %, а процес проводять у присутності відновлювального газу у складі псевдозріджувального газу. 5 85509 6 41. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що кисневмісний газ включає щонайменше 90 об. % кисню. 42. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняє ться тим, що він включає додатковий плавильний процес для плавлення та подальшого відновлення частково відновленого металовмісного матеріалу з одержанням розплавленого металу. Цей винахід стосується способу для прямого відновлення металовмісного вихідного матеріалу, зокрема, але ні в якому разі не виключно, для прямого відновлення залізовмісного вихідного матеріалу, наприклад, залізної руди. Цей винахід стосується також способу відновлення металовмісного вихідного матеріалу, який включає процес прямого відновлення для часткового відновлення металовмісного вихідного матеріалу у твердому стані та плавильний процес для плавлення та подальшого відновлення частково відновленого металовмісного вихідного матеріалу до розплавленого металу. Цей винахід був створений у процесі виконання дослідницького проекту, який заявник продовжує виконувати з метою розроблення так званої технології CIRCOFER для прямого відновлення залізної руди. Технологія CIRCOFER являє собою спосіб прямого відновлення, який забезпечує відновлення залізної руди у твердому стані зі ступенем металізації 50% або вище. Технологія CIRCOFER основана на застосуванні псевдозріджених шарів. Основними вихідними матеріалами, які надходять у псевдозріджені шари, є псевдозріджувальний газ, оксиди металу (у типових випадках залізорудний дрібняк), твердий вуглецевмісний матеріал (у типових випадках вугілля) та кисневмісний газ (у типових випадках газоподібний кисень). Основним продуктом, який утворюється у псевдозріджених шарах, є металізовані оксиди металу, тобто принаймні частково відновлені оксиди металу. Одним з результатів, одержаних заявником у згаданому дослідницькому проекті, є виявлення можливості створення окремих реакційних зон у межах одного псевдозрідженого шару та оптимізації реакцій у цих зонах. Однією з реакційних зон є збагачена вуглецем зона, де твердий вуглецевмісний матеріал, наприклад, вугілля, та інші реагенти, що піддаються окисненню, окиснюються з вивільненням тепла. Іншою реакційною зоною є збагачена металом зона, де металовмісний вихідний матеріал, наприклад, залізна руда, відновлюється у твердому стані. Ці дві реакційні зони у псевдозрідженому шарі просторово відділені одна від одної, причому збагачена металом зона знаходиться у нижній частині шару, а збагачена вуглецем зона знаходиться вище збагаченої металом зони. Ці зони можуть бути суміжними одна з одною. Псевдозріджувальний шар включає висхідний та низхідний потоки твердих матеріалів, і цей рух матеріалів сприяє перенесенню тепла, яке вивільнюється у збагаченій вуглецем зоні, у збагачену металом зону та підтриманню у збагаченій мета лом зоні температури, потрібної для відновлення металовмісного вихідного матеріалу. Згідно з цим винаходом, пропонується спосіб прямого відновлення металовмісного матеріалу, який включає подавання металовмісного матеріалу, твердого вуглецевмісного матеріалу, кисневмісного газу та псевдозріджувального газу у псевдозріджений шар у реакторі та підтримання псевдозрідженого шару в реакторі, принаймні часткове відновлення металовмісного матеріалу в реакторі та виведення з реактора потоку продукту, який містить принаймні частково відновлений металовмісний матеріал; спосіб відрізняється тим, що він включає: (а) відновлення металовмісного матеріалу у твердому стані у збагаченій металом зоні в реакторі; (b) введення кисневмісного газу у збагачену вуглецем зону в реакторі у формі потоку, спрямованого униз під кутом у межах ±40° відносно вертикалі та вивільнення тепла шляхом проведення реакцій у псевдозрідженому шарі між киснем та металовмісним матеріалом (у тому числі металізованим матеріалом), твердим вуглецевмісним матеріалом та іншими твердими речовинами та газами, що піддаються окисненню; та (с) перенесення тепла зі збагаченої вуглецем зони до збагаченої металом зони за рахунок руху твердих матеріалів у реакторі. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення кисневмісного газу у формі потоку, спрямованого униз під кутом у межах ±15° відносно вертикалі. Термін «збагачена вуглецем зона» у цьому описі означає зону псевдозрідженого шару, де вуглецевмісний матеріал присутній у відносно більшій кількості у порівнянні з кількістю металовмісного матеріалу, ніж в інших зонах псевдозрідженого шару. Термін «збагачена металом зона» у цьому описі означає зону псевдозрідженого шару, де металовмісний матеріал присутній у відносно більшій кількості у порівнянні з кількістю вуглецевмісного матеріалу, ніж в інших зонах псевдозрідженого шару. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає створення збагаченої металом зони у нижній частині реактора та збагаченої вуглецем зони у проміжній частині реактора. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, згадана проміжна зона є проміжною між згаданою нижньою частиною реактора та його верхньою частиною. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення кисневмісного газу у центральну зону реактора, тобто у зону, розташовану всередині бічної стінки реактора. 7 85509 Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає регулювання різниці між об'ємною температурою псевдозрідженого шару та середньою температурою внутрішньої поверхні бічної стінки реактора з таким розрахунком, щоб ця різниця не перевищувала 100°С. Термін «об'ємна температура» в цьому описі означає середню температуру у псевдозрідженому шарі. Відповідно до варіанта, якому віддається більша перевага, згадана різниця температур не перевищує 50°С. У випадку відновлення металовмісного матеріалу у формі залізорудного дрібняка об'ємна температура псевдозрідженого шару відповідно до варіантів, яким віддається перевага, лежить у межах від 850°С до 1000°С. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, об'ємна температура псевдозрідженого шару становить щонайменше 900°С, відповідно до варіанта, якому віддається перевага, щонайменше 950°С. Крім того, відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає регулювання змін температури у псевдозрідженому шарі таким чином, щоб ці зміни не перевищували 50°С. Різницю температур можна регулювати шляхом регулювання численних параметрів, наприклад, кількостей твердих матеріале та газів, які подаються у реактор. Крім того, у випадку відновлення металовмісного матеріалу у формі залізорудного дрібняка спосіб відповідно до варіантів, яким віддається перевага, включає регулювання тиску в реакторі, який має бути в межах 1-10 бар (0,1-1 МПа) (абсолютних), відповідно до варіанта, якому віддається перевага, 4-8 бар (0,4-0,8 МПа) (абсолютних). Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення кисневмісного газу таким чином, щоб у реакторі створювався спрямований униз потік газу. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, способ включає введення кисневмісного газу за допомогою щонайменше однієї фурми, обладнаної наконечником фурми, вихідний отвір якого розташований всередині бічної стінки реактора у центральній зоні реактора. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, наконечник фурми спрямований донизу. Відповідно до варіанта, якому віддається більша перевага, наконечник фурми спрямований вертикально вниз. Положення фурми та, більш конкретно, висота вихідного кінця наконечника фурми у реакторі визначаються з урахуванням таких факторів, як швидкість введення кисневмісного газу, тиск у реакторі, добір та кількість інших вихідних матеріалів, які подають у реактор, та густина псевдозрідженого шару. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає охолодження принаймні наконечника фурми водою з метою зведення до мінімуму утворення охолоді на наконечнику фурми, яке може перешкоджати введенню кисневмісного газу. 8 Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає охолодження зовнішньої поверхні фурми водою. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення кисневмісного газу через центральну трубу фурми. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення кисневмісного газу зі швидкістю, достатньою для утворення поблизу наконечника фурми зони, практично вільної від твердого матеріалу, з метою зниження можливості утворення на наконечнику фурми охолоді, яка може перешкоджати введенню кисневмісного газу. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення азоту та/або водяної пари та/або іншого придатного обдувального газу та обдування нижнього кінця наконечника фурми з метою зведення до мінімуму окиснення металу, яке може спричиняти утворення на наконечнику фурми охолоді, яка може перешкоджати введенню кисневмісного газу. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає введення обдувального газу в реактор зі швидкістю, яка становить щонайменше 60% швидкості кисневмісного газу. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає подавання металовмісного матеріалу, твердого вуглецевмісного матеріалу, кисневмісного газу та псевдозріджувального газу у псевдозріджений шар та підтримання псевдозрідженого шару, який включає (а) низхідний потік кисневмісного газу, (b) висхідний потік твердого матеріалу та псевдозріджувального газу у протитечії до низхідного потоку кисневмісного газу та (с) низхідний потік твердого матеріалу ззовні від висхідного потоку твердого матеріалу та псевдозріджувального газу. У псевдозрідженому шарі, описаному у попередньому абзаці, твердий матеріал у висхідному та низхідному потоках твердого матеріалу нагрівається теплом, що вивільнюється внаслідок реакцій між кисневмісним газом та вуглецевмісним матеріалом та іншими матеріалами, що піддаються окисненню (наприклад, CO, леткими речовинами та Н2) у збагаченій вуглецем зоні. Твердий матеріал у низхідному потоці твердого матеріалу переносить тепло у збагачену металом зону у нижній частині реактора. Крім того, висхідний та низхідний потоки твердого матеріалу екранують бічну стінку реактора від радіаційного нагрівання теплом, що вивільнюється внаслідок реакцій між кисневмісним газом та вуглецевмісним матеріалом та іншими твердими та газоподібними компонентами псевдозрідженого шару, що піддаються окисненню. У випадку відновлення металовмісного матеріалу у формі залізорудного дрібняка, частинки руди відповідно до варіанта, якому віддається перевага, мають розмір менше 6 мм. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, рудний дрібняк має середній розмір частинок у межах від 0,1 мм до 0,8 мм. Однією з переваг цього способу є те, що в ньому можна використовувати значну кількість 9 85509 металовмісного вихідного матеріалу з розміром частинок менш ніж 100 мкм без виносу значної кількості цього матеріалу із процесу з відхідними газами. Вважається, що така перевага зумовлена впливом механізму агломерації у псевдозрідженому шарі, який забезпечує бажаний рівень агломерації частинок вихідних матеріалів, зокрема, частинок розміром менш ніж 100 мкм, без спричинення неконтрольованої агломерації, яка може спричинити припинення процесу у псевдозрідженому шарі. Аналогічно, крихкі руди, які мають схильність до розкришування у процесі переробки та збільшення таким чином вмісту частинок розміром менш ніж 100 мкм у псевдозрідженому шарі, можна обробляти без значних втрат вихідного матеріалу внаслідок виносу з відхідними газами. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, вуглецевмісним матеріалом є вугілля. У такому випадку спосіб забезпечує вивільнення з вугілля летких компонентів з утворенням коксу та реагування принаймні частини коксу з киснем з утворенням СО у псевдозрідженому шарі. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, псевдозріджувальний газ включає відновлювальний газ, наприклад, СО та H2· Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає добір вмісту Н 2 у псевдозріджувальному газі щонайменше 15% (об'ємних) від загального об'єму СО та Н 2 у газі. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає виведення потоку продукту, який включає принаймні частково відновлений металовмісний матеріал, з нижньої частини реактора. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, потік продукту включає також інші тверді речовини (наприклад, кокс). Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає виділення принаймні частини інших твердих речовин з потоку продукту. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає повернення відділених твердих речовин у реактор. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає виведення потоку відхідних газів, який включає захоплені тверді матеріали, з верхньої частини реактора. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає виділення захоплених твердих речовин з потоку відхідних газів. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає підтримання циркулюючого псевдозрідженого шару шляхом відділення захоплених твердих речовин від потоку відхідних газів та повертання твердих речовин, відділених від відхідних газів, у реактор. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає повертання твердих речовин, відділених від відхідних газів, у нижню частину реактора. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає попереднє нагрівання металовмісного вихідного матеріалу відхідними газами з реактора. 10 Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, спосіб включає оброблення відхідних газів після стадії попереднього нагрівання та повернення принаймні частини оброблених відхідних газів у реактор як псевдозріджувальний газ. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, оброблення відхідних газів включає одну або кілька таких стадій: (а) видалення твердих матеріалів, (b) охолодження, (с) видалення Н 2О, (d) видалення СО2, (e) компримування та (f) повторне нагрівання. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, оброблення відхідних газів включає повернення твердих матеріалів у реактор. Спосіб можна здійснювати з одержанням потоку продукту зі ступенем металізації від низького до високого, залежно від потреб подальшого процесу одержання принаймні частково відновленого металовмісного матеріалу. Ступінь металізаціїможе бути у межах від 30% до понад 80%. У випадках, коли потрібний ступінь металізації перевищує 50%, спосіб відповідно до варіанта, якому віддається перевага, включає проведення процесу у присутності відновлювального газу у складі псевдозріджувального газу. Одним з варіантів псевдозріджувального газу в такому випадку може бути оброблений відхідний газ з реактора. У випадках, коли потрібен ступінь металізації нижче 50%, проведення процесу у присутності відновлювального газу у складі псевдозріджувального газу не є необхідним, при цьому достатню кількість відновлювача можна одержати з твердого вуглецевмісного матеріалу, який застосовується у процесі. Як кисневмісний газ можна застосовувати будь-який придатний для цього газ. Відповідно до варіанта, якому віддається перевага, кисневмісний газ містить щонайменше 90% (об'єми.) кисню. Згідно з цим винаходом, пропонується також спосіб відновлення металовмісного матеріалу, який включає (а) пряме відновлення для часткового відновлення металовмісного матеріалу, як описано в цьому документі, та (b) плавильний процес для плавлення та подальшого відновлення частково відновленого металовмісного матеріалу з одержанням розплавленого металу. Цей винахід більш детально описано нижче з посиланнями на фігури, що додаються, з яких: Фіг. 1 є схемою реактора для прямого відновлення металовмісного вихідного матеріалу за одним з варіантів здійснення цього винаходу, де показано реакційні зони, утворені в реакторі при здійсненні способу; і Фіг. 2 є схемою, аналогічною представленій на Фіг. 1, де показано рух твердих матеріалів та газів при здійсненні способу. У поданому нижче описі мається на увазі пряме відновлення металовмісного матеріалу у формі частинок залізної руди у твердому стані. Винахід не обмежений цим варіантом і поширюється на пряме відновлення інших залізовмісних матеріалів (наприклад, ільменіту) і, у більш загальному сенсі, на інші металовмісні матеріали. У поданому нижче описі мається на увазі також пряме відновлення залізної руди із застосу 11 85509 ванням вугілля як твердого вуглецевмісного матеріалу, кисню як кисневмісного газу та суміші , що містить принаймні СО та Н2, як псевдозріджувального газу. Винахід не обмежений цим варіантом і поширюється на застосування будь-якого іншого придатного твердого вуглецевмісного матеріалу, кисневмісного газу або псевдозріджувального газу. Як показано на рисунках, тверді вихідні матеріали, а саме залізорудний дрібняк та вугілля, кисень та псевдозріджувальний газ надходять у реактор 3 і утворюють у реакторі псевдозріджений шар. Тверді вихідні матеріали подають у реактор за допомогою пристрою для подавання твердих матеріалів, наприклад, шнекового живильника або сопла для вдування твердого матеріалу 5, яке проходить через бічну стінку 7 реактора. Кисень вводять в реактор через фурму 9, що має вихід, оформлений як спрямований вниз наконечник фурми 11, який спрямовує кисень униз у центральній зоні 31 (Фіг. 2) реактора. Ця центральна зона простягається радіально від центральної осі реактора у напрямі до бічної стінки реактора. Кисень вводиться так, що він утворює потік, спрямований униз у межах від вертикального напряму до напряму, який утворює з вертикаллю кут 40°, але відповідно до варіанта, якому віддається перевага, у межах від вертикального напряму до напряму, який утворює з вертикаллю кут 15°. Тверді матеріали, що знаходяться в околі виходу фурми, можуть захоплюватися потоком кисню. Вважається, що взаємодія між практично низхідним потоком кисню та практично висхідним потоком псевдозріджувального газу значно знижує тенденцію частинок, захоплених потоком кисню, до контактування з бічними стінками реактора та утворення охолоді. Псевдозріджувальний газ вводять через сукупність фурм або сопел (не показаних на рисунку) у дні 13 реактора. При вищезазначеному введенні твердих матеріалів та газів у центральній зоні реактора створюється висхідний потік псевдозріджувального газу та захоплених твердих матеріалів. При русі угору тверді матеріали все більшою мірою відділяються від висхідного потоку псевдозріджувального газу і рухаються униз, як правило, у зоні кільцевого перерізу між центральною зоною та бічною стінкою реактора. Ці циркулюючі тверді матеріали або знов захоплюються висхідним потоком псевдозріджувального газу, або виводяться з реактора. Цей рух матеріалів у реакторі показано на Фіг. 2. При вищезазначеному введенні твердих матеріалів та газів у реакторі протікають також описані нижче реакції: - вивільнення летких компонентів із вугілля з утворенням коксу та розклад летких речовин вугілля з утворенням газоподібних речовин (наприклад, Н2 та СО) та реакція принаймні частини коксу с киснем з утворенням СО; - пряме відновлення залізної руди до принаймні частково відновленої залізної руди газоподібними продуктами СО та H2. При цій реакції утворюються СО2 та Н2О; 12 - реакція частини утвореного СО2 у псевдозрідженому шарі з вуглецем з утворенням CO (реакція Будуара - Boudouard); - окиснення твердих та газоподібних речовин, наприклад, коксу та частинок частково відновленого металовмісного вихідного матеріалу, летких речовин з вугілля, СО та Н2 у кисні з вивільненням тепла та сприянням регульованій агломерації дрібніших частинок частково відновленої руди з іншими частинками у псевдозрідженому шарі. Внаслідок певних співвідношень густини твердих речовин та вищезгаданого введення твердих матеріалів та газів, в тому числі внаслідок певного розташування місць введення твердих матеріалів та газів, у реакторі утворюються реакційні зони. Ці зони можуть бути суміжними одна з одною. Однією з реакційних зон є збагачена вуглецем зона 17 в околі наконечника 11 фурми 9. У цій зоні переважними реакціями є реакції окиснення, в тому числі згоряння коксу, летких речовин із вугілля, СО та Ή 2 у кисні з вивільненням тепла. Другою реакційною зоною є збагачена металом зона 19, де (а) відбувається вивільнення летких компонентів з вугілля з утворенням коксу та летких речовин та (b) залізорудний дрібняк принаймні частково відновлюється СО та Н 2. Вищезгаданий низхідний потік твердих матеріалів у зоні кільцевого перерізу між центральною зоною та бічною стінкою сприяє перенесенню тепла зі збагаченої вуглецем зони у збагачену металом зону. Крім того, згаданий низхідний потік твердих матеріалів забезпечує часткове екранування бічної стінки від прямого впливу тепла, що випромінюється з центральної зони реактора. При вищезазначеному процесі утворюється також потік відхідних газів та захоплених ними твердих матеріалів, який виводять із реактора через вихідну комунікацію 27, розташовану у верхній частині реактора. Потік відхідних газів обробляють шляхом відділення твердих матеріалів від газів та повернення цих твердих матеріалів у реактор через комунікацію 29 повернення твердих матеріалів. Після цього відхідні гази обробляють шляхом виконання низки стадій: (а) додаткового відділення твердих матеріалів від газів, (b) охолодження відхідних газів, (с) видалення Н 2О, (d) видалення СО2, (e) компримування залишкових відхідних газів та (f) повторного нагрівання. Потім оброблені відхідні гази повертають у реактор як частину псевдозріджувального газу. При вищезазначеному процесі утворюється потік твердих матеріалів, який включає принаймні частково відновлену залізну руду та кокс; цей потік виводять із реактора через вихід 25 у дні реактора. Цей потік твердих матеріалів можна обробити шляхом розділення принаймні частково відновленої залізної руди та частини інших твердих речовин. Відділені інші тверді речовини, переважно кокс, можна повертати у реактор як частину ви хідних твердих матеріалів для згаданого процесу. Принаймні частково відновлену залізну руду піддають подальшій обробці за потребою. Наприклад, принаймні частково відновлену залізну руду можна подавати у плавильний конвертер із роз 13 85509 плавленою ванною та переплавляти у залізо, наприклад, із застосуванням способу, відомого під назвою «хай-смелт» (HIsmelt process). Як вказано вище, цей винахід був створений у процесі виконання дослідницького проекту, який заявник продовжує виконувати з метою розроблення так званої технології CIRCOFER для прямого відновлення залізної руди. Дослідницька праця включає серію дослідних операцій з використанням виготовлених заявником дослідних установок з діаметром 350 мм та 700 мм. Подана нижче інформація стосується досліджень із використанням дослідної установки, обладнаної діаметром 700 мм. Дослідна установка включає устаткування типу, показаного на Фіг. 1 та Фіг. 2. Установку експлуатували в режимі циркулюючого псевдозрідженого шару під атмосферним тиском. Реактор має висоту 10,7 м. Верхня секція реактора має висоту приблизно 8,9 м та внутрішній діаметр 700 мм. Нижня секція реактора має висоту приблизно 1,8 м та внутрішній діаметр 500 мм. Вказана висота 1,8 м включає висоту фатів для псевдозрідження та перехідної секції між секціями діаметром 500 мм та 700 мм. Реактор має вогнетривку футерівку. Відхідні гази з реактора піддавали обробленню для видалення захоплених твердих матеріалів шляхом пропускання відхідних газів через три послідовно розташовані циклони. У перший циклон (циклон 1) надходили відхідні гази безпосередньо з реактора. Тверді матеріали, відділені в циклоні, повертали у реактор через герметизовану буферну посудину, яка забезпечувала підтримання тиску. У другий циклон (циклон 2) надходив відхідний газ з циклону 1. Тверді матеріали, відділені в цьому циклоні, повертали безпосередньо у реактор (тобто без застосування буферної посудини). У третій циклон (циклон 3) надходив відхідний газ із циклону 2. Тверді матеріали, відділені в циклоні 3, не повертали у реактор. Після відділення твердих домішок у трьох циклонах відхідні гази піддавали подальшій обробці у скрубері з радіальним потоком, де з газу додатково видаляли тверді матеріали. Ці тверді матеріали концентрували у згущувачі, після чого пропускали через барабанний фільтр для одержання згущеного шламу. Після виходу зі скрубера з радіальним потоком відхідні гази обробляли у трубчастому холодильнику, призначеному для зневоднення відхідних газів шляхом їх о холодження до температури в межах від 10°С до 30°С. Після оброблення у трубчастому холодильнику відхідні гази спалювали. Псевдозріджений шар створювали на початкових стадіях дослідження за допомогою повітря, а потім підтримували за допомогою суміші азоту з воднем. Оскільки оброблення та повторне використання відхідних газів процесу, наприклад, видалення з них СО2 та компримування, не передбачалися, повернення їх у реактор як псевдозріджувальний газ було неможливим. З цих міркувань було застосовано водень для моделювання ефекту використання відхідних газів процесу як псевдозріджувальний газ. 14 Нижче коротко описані результати досліджен ня. Підтверджено концепцію процесу відновлення, основаного на використанні вугілля у псевдозрідженому шарі із введенням кисню, який забезпечує одержання відновленого продукту з рівнем металізації до 78%. Показано можливість введення кисню у псевдозріджений шар або поблизу такого шару із вмістом металічного заліза у шарі до 42% без утворення охолоді. Показано можливість одночасного відновлення залізної руди та часткового спалювання вугілля для забезпечення потреби в енергії в одному псевдозрідженому шарі при вмісті металічного заліза у продукті до 48%. Показано важливість вибору розташування кисневої фурми у реакторі у зв'язку з бажаністю зворотного переносу тепла окиснення у шар при зведенні до мінімуму рівня повторного окиснення заліза. В умовах проведення випробувань положення фурми відповідало висоті приблизно 4м. Досягнуто успішне псевдозрідження та відновлення високофосфористої залізної руди типу Brockman без надмірного пилоутворення. (Руда типу Brockman є крихка західно-австралійська залізна руда, одержана від фірми Hamersley Iron Pty Ltd., Перт, За хідна Австралія). Цілі експериментальної програми: Головною метою було досягнення стабільної роботи протягом тривалого часу з використанням високофосфористої руди типу Brockman (розмір частинок менше 3 мм) та вугілля тип у Blair Athol. План експерименту передбачав роботу з низькою швидкістю подавання залізної руди (до 20% у вивантажуваному продукті) протягом 2 діб із кисневою фурмою у нижньому положенні (1,9 м над розподільною тарілкою реактора, не показаною на рисунку). Подальша мета полягала в експлуатації установки протягом 3 діб при високій швидкості подавання руди (до 70% у вивантажуваному продукті) з кисневою фурмою у верхньому положенні (3,8 м над розподільною тарілкою). Запуск: Дослідження було розпочато 9 грудня 2003 р. о 06:00 шляхом поступового нагрівання реактора діаметром 700 мм (нижче позначається також абревіатурою CFB) із застосуванням оксиду алюмінію як матеріалу псевдозрідженого шару. Після досягнення заданої температури у реактор вводили вугілля та кисень (о 15:50). Швидкість подавання кисню збільшували до 105 Нм 3/год, а швидкість подавання вугілля була в межах 300-450 кг/год. Дослід із вугіллям та киснем 10.12.03-11.12.03 Дослід із вугіллям, повітрям та киснем виконували 10.12.03. Система працювала дуже стабільно, стабілізація відбувалася досить швидко, і температура реактора підтримувалася в межах 900930°С без будь-яких ускладнень. Стандартні умови роботи на протязі цього періоду були такі: температура CFB: 930°С у нижній частині та 900°С у верхній частині; швидкість потоку псевдозріджувального газу: 140 Нм 3/год (N2) та 300 Нм 3/год (повітря); 15 85509 16 перепад тиску на CFB: 80-140 мбар (8-14 кПа); швидкість потоку кисню: до 100 Нм 3/год; швидкість потоку обдувального N2: 30 Нм 3/год; швидкість подавання вугілля: 350-450 кг/год. Одержано такі результати: швидкість виведення продукту із шару: 100160 кг/год; швидкість виведення твердих матеріалів з циклону 3: 10-14 кг/год. Склад відхідних газів: СО/СО2 12,8/8,7=1,47 %Н2 7,6 %СН4 0,7 Вивантажуваний продукт був чистий та включав лише незначну кількість частинок розміром >2 мм, які виглядали як залишковий вогнетривкий матеріал. Вміст пилу був відносно низьким і становив