Спосіб одержання заліза прямим відновленням та пристрій для його здійснення

Взаємозв'язана група винаходів відноситься до металургійної галузі і може бути застосована для переробки металургійної сировини. Відомий спосіб відновлення залізорудної сировини до губчастого заліза в шахтній печі, який включає протитечію відновлюваного матеріалу і газу в зонах відновлення, проміжній і зоні охолодження, охолодження, очистку і рециркуляцію колошникового газу з розподілом його на технологічний і паливний потоки, допоміжну конверсію природного газу в проміжній зоні окислювальними компонентами - водяним паром та вуглекислим газом, який відрізняється тим, що додаткову конверсію проводять киснем і окислювальними компонентами паливного газу при температурі в зоні не нижче 760°С при такому співвідношенні компонентів 0,095 £ n £ 0,190 ; 0,61 £ к £ 0,84 ; 0,90 £ р £ 110 ; 0,45 £ m £ 0,50 , , де n - відношення кисню до природного газу, к - відношення , окислювальних компонентів паливного і відповідно технологічного газів до природного газу при добавці кисню, а р - без добавки кисню, m - відношення кисню до природного газу, причому при кисневій конверсії температура в зоні не нижче 900°С [А.С. СРСР №1535896. заявл. 04.11.87, опубл. Бюл. №2, 1990]. Проте в продуктах конверсії присутні оксиди, що негативно впливають на ефективність відновлення залізорудної сировини, крім цього сучасна технологія плавки в електричних печах передбачає використання брикетів із металізованої сировини. Найбільш близьким по технічній сутності та досягаємому результату (прототип) є спосіб одержання заліза прямим відновленням з регульованим вмістом вуглецю в системі для відновлення без застосування установки для риформінгу природного газу, який включає введення зернистого матеріалу, що вміщує оксиди заліза, в верхню частину зони відновлення реактора з рухомим шаром, через зону відновлення з утворенням відновлювального газу, який вміщує водень і монооксид вуглецю, за рахунок перетворення вуглеводню окислювачами, такими як вода і кисень, відновлювання матеріалу, який вміщує оксиди заліза, до заліза, рафінованого від домішок, та його навуглецювання цим газом, відвід із зони відновлення відпрацьованого відновлювального газу, виведення із нього діоксиду, змішування відпрацьованого газу з природним газом, регулювання вмісту води в суміші і його наступний нагрів і розвантаження відновленого навуглецьованого заліза із реактора, який відрізняється тим, що в зону відновлення подають першій потік відновлюваного газу при температурі в інтервалі 900-1150°С, діоксид вуглецю виводять, в крайньому разі, із частини другого потоку з утворенням третього потоку, який вміщує не більш чим 10% діоксиду вуглецю, змішують третій потік з природним газом для утворення четвертого потоку відновлювального газу, вміст води в відновлювальному газі перед нагрівом в інтервалі приблизно 5-12%, нагрівають четвертий потік до підвищених температур відновлення, змішують гарячий четвертий потік з кисневовмістним газом для підвищення температури четвертого потоку до значень, які знаходяться в інтервалі 900-1150°С, з метою утворення першого потоку, при цьому залізо прямого відновлення розвантажують із реактора для відновлення при температурі понад 500°С і після цього піддають гарячому брикетуванню з наступним охолодженням до 100°С [Патент Росії №2190022, заявл. 10.10.97, опубл. Бюл. №27, 2002]. Даний спосіб не забезпечує якості відновленої металізованої сировини по причині обов'язкової присутності в відновлюваному газі оксидів, які пов'язані з технологією спалювання газів. Крім цього, відомий спосіб чинить істотний негативний вплив на навколишнє середовище. Відомий пристрій для прямого відновлення залізної руди, який включає шахтн у піч попереднього відновлення, плавильний газифікатор, розміщений під шахтною піччю і з'єднаний з нею за допомогою перевантажувального вузла у вигляді радіально розміщених шнекових транспортерів і з'єднувальних вертикальних трубопроводів, розміщених симетрично відносно повздовжньої осі шахтної печі і плавильного газифікатора, який має вузли завантаження твердого відновлювача і трубопроводи підводу і відводу газів, який відрізняється тим, що з'єднувальні вертикальні трубопроводи для розвантаження губчастого заліза із шахтної печі на кінцях виконані з перпендикулярними повздовжній осі газифікатора патрубками, в яких розміщені шнекові транспортери, при цьому з'єднувальні вертикальні трубопроводи уведені в дно шахтної печі, яке виконано горизонтальним, а вузол завантаження твердого відновлювача розміщений на повздовжній осі газифікатора [Патент Росії №1591815, заявл. 13.07.88, опубл. Бюл. №33, 1990]. Недоліком конструкції пристрою є низька ефективність відновлення залізної руди, в зв'язку з присутністю в продуктах конверсії окислів. Крім цього конструкція пристрою не забезпечує достатньої інтенсивності тепло- і масообміну. Найбільш близьким по технічній сутності та досягаємому результату (прототип) прийнято пристрій для відновлення зернистих, які містять в собі частинки оксидів заліза за допомогою відновлюваного газу для одержання частинок заліза прямого відновлення, що мають регульований вміст вуглецю, вкрапленого в них, який включає реактор для відновлення з рухомим шаром, зону відновлення в ньому, контур для відновлюваного газу, призначений для циркуляції більшої частини газу, який виходить із верхньої частини зони відновлення реактора для кондиціонування і збагачення і звороту його у вигляді покращеного рециркулюючого відновленого газу в зону відновлення реактора, причому контур включає в себе зону відновлення, пристрій для охолодження і очистки газу, призначений для охолодження і очистки газу, який виходить із верхньої частини реактора, насос для забезпечення циркуляції відновлюваного газу через зазначений контур і реактор, пристрій для виведення діоксиду вуглецю із рециркулюючого відновлюваного газу, нагрівач газу для підвищення температури потоку газу, циркулюючого через зазначений контур, до температур в інтервалі 850-1000°С, засіб для регулювання вмісту води в рециркулюючому відновлюваному газі, який відрізняється тим, що він вміщує в собі засіб для добавки природного газу в зазначений контур для відновлюваного газу і засіб для змішування рециркулюючого і природного газу і регулювання кількості рециркулюючого газу перед находженням відновлювального газу в реактор, при цьому пристрій додатково вміщує теплообмінник для підігрівання потоку газу, який виходить із верхньої частини реактора [Патент Росії №2190022, заявл. 10.10.97., опубл. Бюл. №27, 2002]. Проте конструкція відомого пристрою не забезпечує якості готового продукту по причині відсутності в відновлювальному газі оксидів, що знижує ефективність відновлення, крім того, установка чинить істотний негативний вплив на навколишнє середовище. В основу першого із групи винаходів поставлено завдання удосконалення способу одержання заліза прямим відновленням шляхом використання технологічних можливостей плазмових технологій, стосовно процесів прямого відновлення заліза, за рахунок виникнення в плазмі активних радикалів, наприклад СО* і Н2*, які підвищують швидкість реакції відновлення, і за рахунок цього збільшити вихід і чистоту одержання цільового продукту. В основу другого із групи винаходів поставлено завдання удосконалення конструкції установки для одержання заліза прямим відновленням, шляхом сумісного протікання процесів нагріву і відновлення за рахунок створення конструкції плазмового газогенератора і схеми підводу систем газо- і водозабезпечення, і за рахунок цього підвищити питому продуктивність при забезпеченні якості одержання готового продукті при мінімальному впливі на навколишнє середовище. Перше поставлене завдання вирішується тим, що в способі одержання заліза прямим відновленням, який включає рухомий зернистий матеріал, що вміщує оксиди заліза, і зустрічне циркулюючий відновлювальний газ в інтервалі температур 850-1000°С, який складається із водню і монооксиду вуглецю, за рахунок перетворення вуглеводню окислювачами, відновлення матеріалу до заліза, відвід із зони відновлення відпрацьованого відновлювального газу, змішування відпрацьованого газу з природним газом та з водою, розвантаження відновленого заліза із реактора при температурі більше 500°С, брикетування одержаного матеріалу і наступне охолодження до 100°С, згідно з винаходом, нагрів і перетворення вуглеводнів окислювачами проводять в об'ємі газогенератора шляхом впливу на них плазмовими струменями, при цьому формують основний замкнутий, циркулюючий потік відхідних газів із верхньої частини реактора в нижню через газогенератор, відбирають частину основного потоку із цього контуру, очищають його, піднімають тиск до необхідного для роботи плазмотронів в зоні конвертування в газогенераторі, при цьому відібрану частину основного потоку відхідних газів пропускають через плазмові струмені, нагрівають до температури 3000°С, змішують з основним потоком і, перед входом їх в реактор, уприскують в потік природний газ і воду, знижують температуру до 900-1000°С, а тиск в реакторі регулюють шляхом управління витратами відхідних газів за допомогою, наприклад клапана. Нагрів і перетворення вуглеводнів окислювачами проводять плазмовими струменями в об'ємі газогенератора, що дає можливість підвищити ступінь використання тепла, крім цього, за рахунок виникнення в плазмі активних радикалів, наприклад СО* і Н2*, підвищити швидкість реакції відновлення. Із замкнутого основного циркуляційного потоку відхідних газів відбирають частину потоку та через блок підготовки відхідних газів направляють на джерела утворення плазми, а основний потік направляють в зону конвертування. Приведені відрізняльні ознаки дозволяють вилучити викиди шкідливих газів в атмосферу і одночасно використовувати відхідні гази для роботи плазмових генераторів. Відібрану частину основного потоку відхідних газів пропускають через плазмові струмені, нагрівають до температури ~ 3000°С, змішують з основним потоком і, перед входом їх в реактор, уприскують в потік природний газ і воду, знижують температуру до 900-1000°С. Нагрітий і конвертований на CO і Н2 плазмоутворюючий газ продуває шар вихідного матеріалу і пальні гази усередині реактора піднімаються уверх. В зв'язку з тим, що технологічна схема передбачає підвищення тиску відхідних газів в газових трактах, то тиск в реакторі регулюють шляхом управління витрат відхідних газів, наприклад клапаном. Приведені ознаки забезпечують змішування відхідного відпрацьованого газу з природним газом і водою і цим самим забезпечують необхідний температурний режим в зоні відновлення, регулювання теплової потужності і хімічного складу теплового струменя. Друга поставлена задача вирішується тим, що в установці для одержання заліза прямим відновленням, що містить реактор з шаром зернистого матеріалу і зоною відновлення, контур, який включає газовідвід для відновлювального газу, що виходить із верхньої частини реактора і з'єднаний з зоною відновлення реактора, пристрій для охолодження і очистки газу, насос для забезпечення циркуляції газу через зазначений контур, нагрівач газу, засіб для змішування рециркулюючого газу і засіб для регулювання витрат природного газу і води, відповідно до винаходу, установка обладнана плазмовим відновлювальним газогенератором, розміщеним в контурі відхідного газу і сполученим з зоною відновлення реактора, а також блоком підготовки відхідних газів для плазмотронів, з'єднаного з контуром відхідного газу, при цьому блок включає послідовно зв'язані газовідводом циклон очистки газів, рукавний фільтр, теплообмінник і компресор, вихід якого підключений до плазмотронів, розміщених у відновлювальному газогенераторі, в якому проміж плазмотронами і стінкою реактора установлена форсунка для уприскування у внутрішню порожнину газогенератора, наприклад метану і води, а у верхній частині реактора, в районі завантажувального конуса, установлено клапан витрати відхідних газів, причому установка містить допоміжний плазмовий газогенератор, вхід якого газовідводом зв'язаний з контуром відхідного газу, а плазмотрони - з виходом компресора очищеного газу, а в порожнині газогенератора установлені рознесені по його довжині - форсунки, одна з яких - для подачі природного газу та води, а друга - для подачі води, при цьому порожнина газогенератора проміж форсунками сполучена газовідводом для транспортування конвертованих газів-водню і оксидів вуглецю з температурою 500°С, а порожнина газогенератора, що розміщена після форсунки для подачі води, з'єднана газовідводом, призначеним для транспортування конвертованих газів, охолоджених до 100°С. Розміщення плазмового відновлювального газогенератора в контурі відхідного газу, установленого в стінці реактора в зоні відновлення, забезпечує змішування відпрацьованого (відхідного) газу з природним газом і водою і забезпечує необхідний температурний режим в об'ємі зони відновлення, регулює теплову потужність та хімічний склад теплового струменя і контроль витрат природного газу. Блок підготовки відхідних газів забезпечує роботу газогенераторів в відновлювальному режимі на базі відпрацьованих газів. Установка також включає допоміжний плазмовий генератор, вхід якого газовідводом зв'язаний з контуром відхідного газу, а плазмотрони - з виходом компресора очищеного відхідного газу, а в порожнині газогенератора установлені рознесені по його довжині форсунки, одна для подачі природного газу і води, а друга - для подачі води, при цьому порожнина газогенератора між форсунками зв'язана газовідводом для транспортування конвертованих газів - водню і оксиду вуглецю з температурою 500°С, якими продувають розвантажене з реактора залізо перед його брикетуванням, а порожнина газогенератора, яка розміщена після форсунки для води, зв'язана газовідводом, призначеним для транспортування відпрацьованих конвертованих газів з температурою 100°С для охолодження заліза після гарячого брикетування. На кресленні наведена схема загального вигляду установки для одержання заліза прямим відновленням. Вводять зернистий матеріал, який містить в собі оксиди заліза, в верхню частину зони відновлення реактора і пропускають через рухомий шар зустрічний гарячий відновлювальний газ, який вміщує водень і монооксид вуглецю. Гарячий газ через стовп матеріалу піднімається уверх і через зовнішній контур примусово направляється в плазмовий відновлювальний газогенератор. Із зовнішнього контур у відбирають частину основного потоку відпрацьованого газу, очищають його, піднімають тиск і направляють в плазмотрони. В плазмовому відновлювальному газогенераторі відібрану частину основного потоку відхідних газів пропускають через плазмові струмені, нагрівають до 3000°С, змішують з основним потоком і, перед входом їх в реактор, уприскують у потік природний газ і воду, знижують температуру до 900-1000°С в відповідності з технологічними параметрами процесу. Конвертований в газогенераторі на СО і Н 2 плазмоутворюючий газ у вигляді відновлюваних плазмових стр уменів продуває зернистий матеріал в реакторі. Одержана газова суміш усередині реактора піднімається уверх і безперервно проходить через шар матеріалу. Матеріал прогрівається і відновлюється. Температура газової суміші в верхній частині реактора становить 200-300°С. Металізована залізорудна сировина розвантажується із реактора при температурі більше 500°С і перед брикетуванням залізорудну сировину продувають конвертованими відпрацьованими газами з температурою, відповідно температурі розвантаженої сировини. Потім матеріал подають на систему гарячого брикетування. Металізовані брикети охолоджують конвертованими відпрацьованими газами з температурою 100°С. Установка містить реактор, корпус 1 якого виконано із листової сталі, футерованого вогнетривким матеріалом 2. В верхній частині реактора розміщується система завантаження 3 оксидних матеріалів, яка включає конусний засипний апарат 4 з системою шлюзування. В нижній частині реактора розміщено похиле дно та випускний отвір 5 із шиберним затвором 6. В придонній частині реактора, в його боковій стінці, перпендикулярно його вертикальній осі, розміщено плазмовий відновлювальний газогенератор 7. Під засипним апаратом 4 реактора розміщений трубопровід 8 відхідних газів, який сполучений з відновлювальним газогенератором 7. Трубопровід 8 забезпечений насосом 9 для циркуляції газу через контур і реактор. Відновлювальний газогенератор 7 включає співвісно розміщені плазмотрони 10, установлені перпендикулярно повздовжній осі газогенератора 7, а також форсунку 11 для уприскування метану і води у внутрішню порожнину газогенератора, яка розміщена проміж стінкою реактора і плазмотроном. Трубопровід 8 відхідних із реактора газів приєднаний до торця газогенератора 7 співвісно повздовжній осі газогенератора. Установка включає також блок підготовки 12 відхідних газів для плазмотронів, який сполучений з однієї сторони з трубопроводом 8, а з другої - з плазмотронами 10. Блок підготовки 12 утворений із послідовно зв'язаних між собою циклоном очистки газів 13, рукавного фільтра 14, теплообмінника 15 і компресора 16. Всередині реактора розміщений стовп залізорудної сировини 17, а в верхній частині реактора збоку засипного апарату 4 установлено клапан 18 витрат відхідних газів. Установка може бути обладнана системою гарячого брикетування 19 з плазмовим допоміжним газогенератором 20, вхід якого газопроводом 21 з'єднаний з трубопроводом 8 відхідних газів, а плазмотрони 22 з виходом компресора 16 очищених газів. В порожнині допоміжного газогенератора 20 розміщені форсунки 23 і 24, рознесені впродовж осі газогенератора, одна з яких - для подачі метану і води, а друга форсунка 24 - для води. Порожнина газогенератора 20, в проміжку між форсунками, з'єднана газовідводом 25 для транспортування конвертованих газів - водню і оксиду вуглецю з температурою 500°С, а порожнина, яка розміщена після форсунки 24, зв'язана газовідводом, призначеним для конвертованих газів з температурою 100°С. Плазмотрони відновлювального газогенератора 7 зв'язані додатково трубопроводом 26 подачі стисненого повітря і трубопроводом 27 - природного газу, необхідними для запуску газогенератора в момент початку роботи реактора. Установка має засоби 28 і 29 для регулювання витрат природного газу і води. Установка працює таким чином. Перед запуском реактора, завантажують в його порожнину задану масу вихідного матеріалу, який вміщує оксиди заліза. По трубопроводам 26 і 27 подають на плазмотрони 10 відновлювального газогенератора 7 стиснене повітря і плазмоутворюючий газ, запускають плазмотрони 10 і одночасно, через форсунку 11 уприскують у внутрішню порожнину газогенератора 7 метан і воду, регулюючи витрати засобами 28 і 29 у відповідності з технологічними параметрами відновлення. Конвертований в газогенераторі на CO і Н2 плазмоутворюючий газ у вигляді відновлювальних плазмових струменів продуває зернистий матеріал з температурою на вході в реактор 850-1000°С. Матеріал прогрівається і відновлюється, гарячий газ через стовп матеріалу 17 піднімається уверх і через зовнішній контур 8 попадає в газогенератор 7. Проведені експериментальні дані показали, що питомі витрати синтез-газу на одиницю відновленого вихідного матеріалу знаходяться в межах 150-350 кг/година на одну тону матеріалу. Контролюючи витрати газу і температур у нагріву матеріалу, визначають тривалість процесу його відновлення в реакторі. Відкривають шибер 6 і металізована залізорудна сировина після відновлювання самочинно розвантажується, при цьому із конусного засипного апарата 4 в реактор надходить нова порція матеріалу. Перерізом вихідного отвору шибера регулюють швидкість витікання відновленого матеріалу. Шар вихідного матеріалу, який був розміщений нижче зони відновлення до виходу реактора на режим, випускають і повертають в засипний апарат. Після закінчення періоду запуску реактора і виведення його на режим, трубопровід 26 подачі стисненого повітря відключають, зменшують витрату природного газу на трубопроводі 27, в зв'язку з тим, що плазмотрони переключаються на роботу очищених відпрацьованих, відгалужених від основного контуру 8 газів з необхідним для роботи плазмотронів тиском, який створюється компресором 16. В подальшому процес відновлення і розвантаження матеріалу протікає безперервно, а завантаження в реактор вихідного матеріалу проводять циклічно. Для забезпечення процесу брикетування відновленого матеріалу, додатково розміщують допоміжний газогенератор 20, за допомогою якого продувають відновлений матеріал перед брикетуванням відновлювальними газами з температурою 500°С, а після брикетування - охолодженим до 100°С відновлювальним газом. Можливість реалізації заявленого способу відпрацьована на дослідному зразку установки для одержання заліза прямим відновленням. Позитивні результати підтверджують можливість отримання технічного результату в межах приведеної формули винаходу і застосування винаходів в промислових умовах для переробки металургійної сировини.