Спосіб одержання розплавленого металу та синтез-газу і пристрій для його здійснення

1. Спосіб одержання розплавленого металу і синтез-газу в пристрої, що має верхню і нижню камери і засоби, що їх розділяють, який включає подачу в верхню камеру пристрою котунів або брикетів, які містять оксиди металів, і разом з ними вугілля і вапна, подачу в нижню камеру в потоці газу-носія меленого вугілля, подачу в нижню камеру кисню, розпалювання вугілля та розігрів камери для газифікації вугілля з утворенням синтезгазу, подачу в нижню камеру води, спрямовування синтез-газу в верхню камеру для відновлення металів з оксидів металів, розплавлення котунів чи брикетів, збирання розплавленого металу і шлаку, утворених в нижній частині нижньої камери і вивантаження їх у міру накопичення, відведення синтез-газу з верхньої частини верхньої камери, який відрізняється тим, що в котунах чи брикетах використовують оксиди металів з високою хімічною активністю відносно вуглецю, синтез-газ спрямовують із нижньої в верхню камеру через засоби, що їх розділяють, воду подають в нижню камеру у вигляді пари, пару подають також у верхню камеру, частину газу, що відводять з верхньої частини верхньої камери, спрямовують у нижню камеру, а частину подають на очищення. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в котунах чи брикетах використовують оксиди мета 2 (19) 1 3 92127 4 7. Пристрій за п. 5 або 6, який відрізняється тим, що трубопровід для подачі в нижню камеру частини газу, що відводиться, разом з виносом у вигляді твердих частинок вугілля з'єднаний з розташованими над фурмами першого ярусу фурмами другого ярусу. 8. Пристрій за п. 5 або 7, який відрізняється тим, що засоби для подачі пари в нижню камеру розташовані над фурмами другого ярусу і являють собою форсунки, розташовані по дотичній до стінок нижньої камери і спрямовані в напрямку коло сникової решітки для забезпечення турбулізації висхідного потоку газів. 9. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що засоби для відведення газу мають систему очищення від твердих частинок та/або систему очищення від сірки, та/або систему очищення від інших шкідливих домішок. 10. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що верхня камера встановлена на опорному кільці, яке розташовано на колонах, а нижня камера встановлена на котках з можливістю виводу її з-під опорного кільця. Винахід відноситься до способів отримання розплавлених залізовмісних матеріалів з руд, гранульованих концентратів, «хвостів» від збагачення руд та інших подібних матеріалів з використанням синтез-газу. Синтез-газ - це суміш газів, яка містить гази з відновлювальними властивостями (CO + Н2) і гази з окислювальними властивостями (СО2 + Н2О). Якість синтез-газу визначається відношенням (CO + Н2) / (СО2 + Н2О) і може коливатися від 1 до 16 і більше. Відомий спосіб отримання розплавлених залізовмісних матеріалів з тонко розмелених руд (патент SU 1674694). Спосіб за цим патентом включає стадію змішування помеленого окису заліза або залізної руди з дрібно помеленим вугіллям та зв'язкою до отримання суміші, грануляцію отриманної суміши компактуванням, окатуванням або брикетуванням, подачу обкотишів до печі з обертальним подом для попереднього відновлення заліза, подачу попередньо відновлених обкотишів до плавильної печі з відновлювальною атмосферою, подачу помеленого вуглецевмісного палива і кисню до плавильної печі з відновлювальною атмосферою через нижню частину печі для реакції з розплавом, відновлення заліза окислів до елементарного заліза та виділення газів, що мають у своєму складі СО та Н2, подачу цих газів до печі з обертальним подом в якості технологічного газу для попереднього відновлення в ній обкотишів і наступне видалення рідкого металу з плавильної печі з відновлювальною атмосферою. Попередньо відновлені обкотиші завантажують з печі з обертальним подом до плавильної печі з відновлювальною атмосферою при температурі принаймні 1000 С для отримання продукції - розплаву чавуну. Цей спосіб досить складний, вимагає побудови кількох металургійних агрегатів з різними технологічними процесами та сполучного обладнання, що призводить до значних втрат тепла та знижує його ефективність. Відомий спосіб отримання розплавленого металу у в пристрої, що має верхню і нижню камери і засоби, що їх розділяють (патент SU 938747). Спосіб включає подачу в верхню камеру пристрою обкотишів або брикетів, які містять окисли металів, і разом з ними вугілля і вапна, подачу в нижню камеру в потоці газу-носія меленого вугілля, подачу в нижню камеру кисню, розпалювання вугілля та розігрів камери для газифікації вугілля з утво ренням синтез- газу, подачу в нижню камеру води, спрямовування синтез-газу в верхню камеру для відновлення металів з окислів металів, розплавлення обкотишів чи брикетів, збирання розплавленого металу і шлаку, що утворилися, в нижній частині нижньої камери і вивантаження їх по мірі накопичення, відведення синтез-газу з верхньої частини верхньої камери. Спосіб передбачає введення в нижню камеру води для охолодження синтез-газу, що утворюються в цій камері до 1200°С. Спосіб передбачає також подачу синтез-газу з нижньої камери в верхню через спеціальний трубопровід, що знаходиться поза межами пристрою, і охолодження газу до 815°С. Для здійснення цього способу служить пристрій, який включає верхню і нижню камери, засоби, що їх розділяють, засоби для подання у верхню камеру обкотишів або брикетів, які містять окисли металів, вугілля та вапна, засоби для подачі в нижню камеру в потоці газу-носія меленого вугілля, засоби для подачі в нижню камеру кисню, засоби для збирання і вивантаження із нижньої частини нижньої камери розплавленого металу і шлаку і засоби для відведення з верхньої частини верхньої камери синтез-газу. В одному варіанті засоби, що розділяють верхню і нижню камери виконані у вигляді ущільнювальної камери і камери з стрічковим транспортером, іншому варіанті ці засоби виконані у вигляді розвантажувального фідера. Нижня камера містить форсунки для впорскування води. Нижня і верхня камери з'єднані трубопроводом для подачі з нижньої камери в верхню синтез-газу. Основним завданням описаних способів і пристроїв є отримання розплавленого металу. Синтез-газ, який відслужив як відновлювач для отримання розплавленого металу і відбирається з верхньої камери, також використовується, але він має низьку якість: у таблиці 1 патенту SU 938747 вказана якість газу рівна 1.4. В основу винаходу поставлене завдання розробити спосіб отримання розплавленого металу та синтез-газу і пристрій для його здійснення, які забезпечують отримання синтез-газу високої якості з недорогої сировини. В способі отримання розплавленого металу і синтез-газу, який реалізується в пристрої, що має верхню і нижню камери і засоби, що їх розділяють, який включає подачу в верхню камеру пристрою 5 обкотишів або брикетів, які містять окисли металів, і разом з ними вугілля і вапна, подачу в нижню камеру в потоці газу-носія меленого вугілля, подачу в нижню камеру кисню, розпалювання вугілля та розігрів камери для газифікації вугілля з утворенням синтез-газу, подачу в нижню камеру води, спрямовування синтез-газу в верхню камеру для відновлення металів з окислів металів, розплавлення обкотишів чи брикетів, збирання розплавленого металу і шлаку, що утворилися, в нижній частині нижньої камери і вивантаження їх по мірі накопичення, відведення синтез-газу з верхньої частини верхньої камери, згідно з винаходом поставлене завдання вирішується тим, що в обкотишах чи брикетах використовують окисли металів з високою хімічною активністю відносно вуглецю, синтез-газ спрямовують із нижньої в верхню камеру через засоби, що їх розділяють, воду подають в нижню камеру у вигляді пари, пару подають також у верхню камеру, частину газу, що відводять з верхньої частини верхньої камери, спрямовують у нижню камеру, а частину подають на очищення. Краще в обкотишах чи брикетах використовувати окисли металів, вибрані з групи, що включає Fе2О3, FeO, Fе3O4, SiO2, NiO, Сr2О3, MgO, а в якості палива використовувати в брикетах буре вугілля. В пристрої для здійснення способу, який включає верхню і нижню камери, засоби, що їх розділяють, засоби для подання у верхню камеру обкотишів або брикетів, які містять окисли металів, вугілля та вапна, засоби для подачі в нижню камеру в потоці газу-носія меленого вугілля, засоби для подачі в нижню камеру кисню, засоби для збирання і вивантаження із нижньої частини нижньої камери розплавленого металу і шлаку і засоби для відведення з верхньої частини верхньої камери синтез-газу, поставлене завдання вирішується тим, що засоби, які розділяють верхню і нижню камери, являють собою розміщену в нижній частині верхньої камери колосникову решітку, в центрі якої встановлений грибоподібний елемент, головка якого розташована над колосниковою решіткою, а її краї не доходять до бічних стінок верхньої камери, в бічних стінках верхньої камери знаходиться система випарювального охолодження, з'єднана з засобами для подачі в неї води і з засобами для подачі від неї пари в верхню і нижню камери, а засоби для відведення з верхньої частини верхньої камери газу з'єднані трубопроводомз нижньою камерою для подачі в неї частини газу, що відводиться, разом з виносом у вигляді твердих частинок вугілля. Краще, щоб засоби для подачі в потоці газуносія меленого вугілля і засоби для подачі кисню були виконані у вигляді фурм першого ярусу нижньої камери. Краще, щоб трубопровід для подачі в нижню камеру частини газу, що відводиться, разом з виносом у вигляді твердих частинок вугілля був з'єднаний з розташованими над фурмами першого ярусу фурмами другого ярусу. Краще, щоб засоби для подачі пари в нижню камеру були розташовані над фурмами другого ярусу і являли собою форсунки, розташовані по 92127 6 дотичній до стінок нижньої камери і були спрямовані в напрямку колосникової решітки для забезпечення турбулізації висхідного потоку газів. В залежності від призначення синтез-газу засоби для відведення газу можуть мати систему очищення від твердих частинок, систему очищення від сірки і систему очищення від інших шкідливих домішок. Для зручності експлуатації пристрою верхня камера може бути встановлена на опорному кільці, яке опирається на колони, а нижня камера встановлена на катках з можливістю виводу її з-під опорного кільця. Відмінність заявленого способу і, відповідно, пристрою для його здійснення від відомих полягає в тому, що синтез-газ, який утворюється в нижній камері, надходить в верхню камеру не через трубопровід, що знаходиться поза межами пристрою, а через засоби, які розділяють нижню і верхню камери. Цей газ не охолоджують, що забезпечує розплавлення брикетів вже в верхній камері і утворення в ній шлаку. В відомих способах воду подають в нижню камеру для охолодження синтезгазу. В способі, що заявляється, використовують не воду, а пару, яка подається в обидві камери. Пара не охолоджує газ, а бере участь в хімічних реакціях, що відбуваються в камерах. Використання в обкотишах чи брикетах окислів металів з високою хімічною активністю відносно вуглецю забезпечує каталітичну беззалишкову газифікацію твердого палива. При цьому в способі може використовуватися недороге паливо - буре вугілля. Як джерело окислів металів з високою хімічною активністю можуть використовуватися хромітові руди, які є також недорогою сировиною, а додатковим джерелом заліза та кремнію можуть бути домішки, які практично завжди присутні в бурому вугіллі. Поєднання всіх цих чинників дозволяє отримувати з недорогої сировини газ з якістю 15 одиниць і навіть більше, а в якості побічного продукт} феросплави і шлаки. Далі заявлений винахід пояснюється з посиланнями на креслення, на якому показаний пристрій для здійснення способу. Пристрій для отримання розплавленого металу і синтез-газу містить вертикально спрямовану шахту, викладену вогнетривкою цеглою і розміщену в металевому кожусі. Шахта має нижню камеру 1 і верхню камеру 2. Верхня камера встановлена на опорному кільці 3, яке спирається на колони 4. Нижня камера 1 розташована під опорним кільцем 3 і встановлена на катках 5, що за необхідності дозволяє виводити її з під опорного кільця З для ремонту і навіть заміни. Нижня камера 1 має фурми 6 першого ярусу, за допомогою яких в камеру 1 в середовищі несучого газу вдувається подрібнене вугілля. Фурми 6 мають трубки (не показані) для подачі кисню. Над верхньою камерою 2 розміщений засипний апарат 7, з якого у верхню камеру завантажують обкотиші або паливні брикети. Нижню камеру 1 і верхню камеру 2 розділяє колосникова решітка 8, яка виконана в нижній частині верхньої камери. В центрі колосникової решітки встановлений грибоподібний елемент 9, головка якого розташована 7 над колосниковою решіткою, а її краї не доходять до бічних стінок верхньої камери. В верхній частині верхньої камери 2 розташовані засоби для відведення газу у вигляді газозбірника 10 і з'єднаного з ним трубопроводу 11. Від трубопроводу 11 відходить трубопровід 12, який з'єднаний з розташованими над фурмами 6 першого ярусу фурмами 13 другого ярусу. Трубопровід 12 служить для подачі в нижню камеру 1 частини газу, що відводиться з верхньої частини верхньої камери 2, разом з виносом у вигляді твердих частинок вугілля. Фурми 13 другого ярусу, як і фурми 6 першого ярусу, мають трубки (не показані) для подачі кисню. За необхідності фурми 13 можуть слугувати для підтримання необхідної температури в разі перерви в подачі меленого вугілля. В бічних стінках верхньої камери 2 знаходиться система випарювального охолодження 14, з'єднана з засобами 15 для подачі в неї води. Вона виконує не тільки звичайну функцію — охолодження стінок верхньої камери, але й з'єднана з форсунками 16 для подачі від неї пари в нижню камеру 1 і з форсунками 17 для подачі від неї пари в верхню камеру 2. Форсунки 16 для подачі пари в нижню камеру 1 розташовані над фурмами 13 другого ярусу по дотичній до стінок нижньої камери і спрямовані в напрямку колосникової решітки 8 для забезпечення турбулізації висхідного потоку газів. У трубопроводі 11 відбору газу в напрямку руху газу розміщена система очищення від твердих частинок 18, з'єднана з трубопроводом 12, за нею - система очищення від сірки 19, система очищення від інших шкідливих домішок 20 та газозбірник (не показаний). В нижній частині нижньої камери розташовані засоби 21 для вивантаження з нижньої камери 1 розплавленого шлаку та засоби 22 для вивантаження рідкого металу (феросплаву). Заявлений пристрій працює в такий спосіб. До верхньої камери 2 подають, наприклад, брикети, які містять, в мас. %: буре вугілля 50 - 88 принаймні один з окислів металів-FeO, Fe2O3, Si02,Cr2O3, Al2O3; MgO 8-28 вапно 3-10 супутні домішки та зв'язуючі матеріали решта (заявка № u 201002584 на корисну модель). До нижньої камери 1 через фурми першого ярусу 6 подають мелене вугілля в середовищі газу-носія (яким може слугувати, наприклад, вуглекислий газ, азот, або інший газ), змішують з киснем та розпалюють. Через деякий час зменшують тиск кисню або зовсім його перекривають. Розпечені гази з нижньої камери 1 потрапляють у верхню камеру 2, де розпалюють брикети. Нагрітий газ нагріває систему випарювального охолодження 14, в яку вода надходить через засоби 15. Отримувана в системі випарювального охолодження 14 пара надходить до нижньої камери 1 через форсунки 16, а до верхньої камери 2 через форсунки 17. В верхній камері 2 починається процес піролізу. Продукти піролізу висмоктуються димососом (не показаний) в газозбірник 10 і далі в трубопровід 92127 8 11. Через трубопровід 12 частина синтез-газу разом з виносом у вигляді твердих частинок вугілля подається на фурми другого ярусу 13 і розігріває нижню камеру 1 до технологічно необхідної температури (між 1200-1600° С). З верхньої камери по каналах у колосниковій решітці 8 починає стікати в нижню камеру 1 шлак. Основна частина шлаку стікає в нижню камеру 1 через канали, розташовані ближче до бічної стінки верхньої камери 2, бо їх спрямовує туди головка грибоподібного елементу 9. В той же час, до частини каналів колосникової решітки, які знаходяться під головкою грибоподібного елемента 9 ближче до ніжки грибоподібного елемента шлак не дотікає і через них в верхню камеру 2 продовжує надходити гарячий газ з нижньої камери 1. Шлак, який пройшов через канали колосникової решітки 9 в нижню камеру 1, роздимається потоком пари з форсунок 16 і притискається до склепіння та стін, утворюючи гарнісаж. Тим часом пристрій досягає оптимального режиму по температурі газу, що надходить з нижньої камери 1 в верхню камеру 2, стабілізується відтік шлаку з верхньої камери 2 в нижню камеру 1. Подрібнений потоками газу та пари шлак всередині нижньої камери 1 починає взаємодіяти з дрібними частками вугілля, що знаходяться у завислому стані і постійно рухаються завдяки дії відцентрової сили та дії висхідного газового потоку. Шлак витісняється на стінки нижньої камери 1 і стікає на дно нижньої камери 1, а йому на зміну стікає шлак з верхньої камери 2. На шлак, що збирається на дні першої камери, діють утворені фурмами 6 першого ярусу потоки, що складаються з газо-вугільної суміші. Потоки стикаються з перегрітим шлаком, при цьому вугілля розкладається з високою швидкістю утворюючи СО та інші гази, які спінюють шлак. Частки вугілля, що заплутались серед шлаку, вступають в реакції з окислами шлаку, відновлюючи метали згідно з рядом активності по відношенню до вуглецю з утворенням крапель металів. Краплі металів збираються в нижній частині першої камери і накопичуються там. Завдяки тому, що форсунки 16 для вприскування пари розміщені у верхній частині нижньої камери одна проти одної та по дотичній до висхідного потоку розпечених газів, в пристрої утворюється турбулентний стовп зустрічних перехрещених потоків розпечених газів, що мають залишки твердого палива. В цьому турбулентному стовпі при температурі 1400-1600° С та в присутності часток шлаку та металів і відбувається каталітична беззалишкова газифікація палива (вуглецевмісної речовини). Синтез-газ постійно надходить в верхню камеру 2 і далі в газозбірник 10 і в трубопровід 11. Та частина синтез-газу, яка не відібрана в трубопровід 12 далі проходить обробку в залежності від його призначення. Якщо синтез-газ призначений для спалювання, його очищають від сірки. Якщо синтез-газ призначений для хімічного синтезу, його очищають додатково. Синтез-газ, призначений для побутових потреб, додатково одорують (надають певного запаху). Синтез-газ, призначений для прямого відновлення заліза, наприклад за 9 92127 Мідрекс-процесом, додаткової очистки не потребує. Шлак, що накопичується в нижній частині першої камери періодично видаляють через засоби 21 та гранулюють відомими методами. Рідкий метал, Комп’ютерна верстка І. Скворцова 10 що знаходиться під шлаком, також видаляється по мірі накопичення через засоби 22, після чого розливається на чушку. Чушкові феросплави та гранульовані шлаки являють собою товарну продукцію і можуть реалізовуватися покупцям. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601