Установка і спосіб прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів

1. Установка для прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів, що включає реактор попереднього відновлення, плавильну й випалювальну печі, сполучні трубопроводи, циклон, яка відрізняється тим, що установка додатково оснащена газифікатором для термічної переробки твердого палива й одержання синтезгазу, плавильна піч оснащена плазмотронами, опозитно встановленими в протилежних стінках, піч примикає до реактора попереднього відновлення і має з ним загальну бічну стінку, реактор попереднього відновлення оснащений вертикальними каналами транспортування газу, один із яких розташований у загальній бічній стінці й служить газовипускною магістраллю плавильної печі, а інші канали розташовані в суміжній стінці, у нижніх торцевих отворах яких установлені плазмотрони, при цьому в порожнину кожного каналу реактора попереднього відновлення підведені форсунки для подачі природного газу, пари й повітря/кисню, що утворюють в сукупності плазмохімічні газогенератори, а верхні відкриті торці каналів розташовані із зазором відносно кришки реактора, трубопровід транспортування синтез-газу з газифікатора з'єднаний із внутрішньою порожниною, утвореною згаданими вузлами, а трубопровід відхідного газу з реактора попереднього відновлення, розташований у нижній його частині, з'єднаний з випалювальною піччю через інжектор із соплом-конфузором і встановленим у ньому плазмотроном. 2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що в трубопроводі транспортування синтез-газу, у 2 (19) 1 3 Взаємозв'язана група винаходів належить до металургії, а саме до металургійного комплексу для виробництва сталі з руди й інших твердих носіїв заліза, шляхом сполучення відомої технології попереднього відновлення залізної руди й технології прямого відновлення на основі природного газу й синтез-газу. Відома установка для одержання рідкого чавуну, заліза прямого відновлення й сталі з шихтових матеріалів, утворених залізною рудою, переважно, у грудковій або в гранульованій формі, що містить реактор попереднього відновлення для залізної руди, плавильний газифікатор, трубопровід для відновлювального газу, утвореного в плавильному газифікаторі, що з'єднує реактор попереднього відновлення із плавильним газифікатором, причому трубопровід постачений скрубером для очищення частини відновлювального газу, трубопровід для транспортування відновленого продукту, утвореного у реакторі, що з'єднує реактор попереднього відновлення з плавильним газифікатором, трубопровід для колошникового газу, що відходить від реактора попереднього відновлення, постачений скрубером, трубопроводи для носіїв вуглецю й кисневмісних газів, що входять у плавильний газифікатор, і злив для чавуну й шлаків, електропіч для виробництва сталі із трубопроводом для відхідного газу, пристрій для знепилювання, трубопроводи для шламу, що йдуть від скруберів до пристрою для агломерування шламів, при цьому пристрій для знепилювання з'єднаний із пристроєм для агломерування, а електропіч з'єднана зі зливом для чавуну плавильного газифікатора й/або пристроєм для одержання заліза прямого відновлення [WO 9924627 від 20.05.1999, кл. С21В13/14, С21С5/56]. Споживання енергії й матеріалу, а також продуктивність установки сильно змінюється, як функція відповідних завантажувальних співвідношень і технології плавлення. Електродугові печі не вирішують у достатньому ступені проблеми переробки в рідку сталь великої кількості рідкого чавуну й/або інших збагачених вуглецем носіїв заліза, а також відновлення металізованої сировини. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнятий пристрій для виробництва розплавленого чавуну, що містить шахтну піч для прийому залізної руди й флюсованих добавок, плавильну камеругазогенератор, призначену для прийому відновленої залізної руди, підданих випалу флюсованих добавок і звичайного вугілля, циклон, приєднаний трубопроводом для генераторного газу до плавильної камери-газогенератора, і випалювальну піч для прийому флюсованих добавок, з'єднану через трубопровід для відновлювального газу й трубопровід для флюсованих добавок із шахтною піччю, при цьому випалювальна піч з'єднана трубопроводом з розташованим нижче по ходу циклоном для подачі гарячого відновлювального газу, одержуваного в 81725 4 плавильній камері-газогенераторі, що має температуру 1000- 1100 °С, а відновлювальний газ, що подається з випалювальної печі в шахтну піч, має оптимальну температуру відновлення 800850 °С [Патент Росії №2163932, заявка №99101851/02 від 05.02.1997, опубл. 03.10.2001]. Конструкція пристрою не забезпечує достатню інтенсивність тепло-масообміну. Даний пристрій забезпечує тільки незначне використання тепла відновлювального газу й тому має потребу в підвищеній його витраті, крім того, запропоноване компонування пристрою не забезпечує оптимальне використання енергії. Відомий спосіб прямого одержання заліза, що включає попереднє відновлення залізорудної шихти у твердому стані в печі попереднього відновлення, наступне завантаження в розплавовідновлювальну піч і відновлення в розплаві за допомогою подачі природного палива й газоподібного окислювача, що забезпечує його згоряння над поверхнею розплаву, відвід відхідних газів із розплавовідновлювальної печі, їхнє охолодження й подачу в піч попереднього відновлення, при цьому відхідний газ із розплаву відновлювальної печі перед подачею в піч попереднього відновлення для його часткового реформування змішують на виході з печі з газоподібним відновлювачем, що має високу температуру, при цьому температуру газоподібної суміші підтримують у діапазоні 1200-1550°С. Газ із печі попереднього відновлення очищають від окислювачів, змішують із реформованим газом і подають у нижню частину печі попереднього відновлення. Газ із печі попереднього відновлення після очищення від окислювачів ділять на дві частини, одну з яких змішують із реформованим газом і подають у верхню частину печі попереднього відновлення, а іншу - із природним газом і подають у нижню частину печі попереднього відновлення. По іншому варіанту очищенню від окислювачів піддають тільки першу частину газу, що відходить із печі попереднього відновлення, а другу частину не очищають від окислювачів, змішують із природним і реформованим газом і подають у нижню частину печі [Патент СРСР №1609456, кл. 5 С 21 В 13/14, заявл. 17.07.86, опубл. бюл. №43, 1990]. Однак при згорянні газ має окисний потенціал і не може створити якісну відновлювальну атмосферу, забезпечити високошвидкісне протікання хімічних реакцій відновлення. Необхідність подачі в цьому випадку великої кількості палива в піч для повного відновлення залізорудної шихти обмежує інтерес до розробки й використання цього способу. Найбільш близьким по технічній сутності й результату, що досягається (прототип), прийнятий спосіб виробництва розплавленого чавуну з використанням шахтної печі, призначеної для прийому залізної руди й флюсованих добавок, плавильної камери-газогенератора, призначеної для прийому відновленої залізної руди, підданих випалу добавок і звичайного вугілля для відновлення залізної руди до розплавленого 5 чавуну, що включає операції: спалювання звичайного вугілля усередині плавильної камери газогенератора й відновлювальну плавку відновленої залізної руди для одержання гарячого відновлювального газу, відділення й уловлювання пилу, що міститься в гарячому відновлювальному газі, подачу гарячого відновлювального газу у випалювальну піч для охолодження гарячого відновлювального газу до рівня температур, необхідних для шахтної печі, подачу охолодженого відновлювального газу в шахтну піч для відновлення залізної руди й для випалу флюсованих добавок, а відновлену руду остаточно відновлюють і плавлять за рахунок теплоти згоряння звичайного вугілля [Патент Росії №2163932, кл. 7 С21В11/0, С21В13/14, заявл. 05.02.1997, опубл. 10.03.2001]. Недолік цього способу - обов'язкова наявність у шихті твердого вуглецю (відновника), багатостадійність процесу, утворення в готовому продукті небажаних супутніх елементів, таких, як сірка, значні енерговитрати, збиток, що завдається навколишньому середовищу. В основу першого із групи винаходів поставлено задачу вдосконалення конструкції установки для прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів з використанням плазмової плавильної печі, реактора попереднього відновлення, газифікатора й випалювальної печі й за рахунок цього збільшити відновлювальну здатність одержуваного відновлювального газу, необхідного для процесу попереднього відновлення, підвищити продуктивність установки при організації керованого процесу одержання відновлювального газу й у результаті одержати металізоване залізо у вигляді рідкої сталі високої чистоти з використанням оптимальним образом газів, що відходять. В основу другого із групи винаходів поставлено задачу вдосконалення способу прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів шляхом здійснення одностадійного технологічного процесу з одержанням заліза з високим ступенем відновлення або виробництва сталі з низькими питомими енерговитратами й високою чистотою металу при оптимальному використанні відхідних газів, і забезпеченні екологічної безпеки навколишнього середовища. Перша поставлена задача вирішується тим, що установка для прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів, що містить реактор попереднього відновлення, плавильну й випалювальну печі, сполучні трубопроводи, циклон, відповідно до винаходу, установка додатково постачена газифікатором для термічної переробки твердого палива й одержання синтезгазу, плавильна піч постачена плазмотронами, опозитно встановленими в протилежних стінках, піч примикає до реактора попереднього відновлення й має з ним загальну бічну стінку, реактор попереднього відновлення постачений вертикальними каналами транспортування газу, один з яких розташований у загальній бічній стінці й служить газовипускною магістраллю плавильної печі, а інші канали розташовані в суміжній стінці, у 81725 6 нижніх торцевих отворах яких установлені плазмотрони, при цьому в порожнину кожного каналу реактора попереднього відновлення підведені форсунки для подачі природного газу, пари й повітря (кисню), що утворюють в сукупності плазмохімічні газогенератори, а верхні відкриті торці каналів розташовані із зазором щодо кришки реактора, трубопровід транспортування синтезгазу з газифікатора з'єднаний із внутрішньою порожниною, утвореною згаданими вузлами, а трубопровід відхідного газу з реактора попереднього відновлення, розташований у нижній його частині, з'єднаний з випалювальною піччю через інжектор із соплом-конфузором і встановленим у ньому плазмотроном, причому в магістралі подачі синтез-газу, у реакторі попереднього відновлення безпосередньо у каналі транспортування відхідного із плавильної печі газу, у кришці реактора, а також у трубопроводі відхідного із реактора газу, установлені патрубки для підключення газоаналізатора, а у реакторі попереднього відновлення у вертикальних каналах транспортування відновлювального газу й у порожнині, розташованій у верхній частині реактора, що граничить із кришкою реактора, установлені термопари, при цьому плавильна піч, газифікатор, плазмохімічні газогенератори, а також випалювальна піч постачені плазмотронами непрямої дії. За рахунок послідовного розміщення по ходу технологічного процесу відповідних агрегатів: плавильної печі, реактора попереднього відновлення, газифікатора й випалювальної печі забезпечується простота й компактність конструкції установки. Завдяки наявності в кожному агрегаті плазмотронів непрямої дії зі своїми системами регулювання температури й тиску, забезпечується заданий режим роботи кожного окремо взятого агрегату, внаслідок чого підтримуються необхідні параметри циркулюючих газових потоків, підвищується теплообмін і знижується забруднення навколишнього середовища, зменшується витрата природного газу. Друга поставлена задача вирішується тим, що в способі прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів, що включає попереднє відновлення вихідного матеріалу відновлювальним газом, подачу відхідного газу у випалювальну піч, плавку попередньо відновленого матеріалу, відповідно до винаходу, попереднє відновлення залізовмісних матеріалів здійснюють відновлювальним газом шляхом змішання у верхній частині реактора попереднього відновлення газу, що відходить із плазмової плавильної печі, і відновлювального газу, отриманого в плазмохімічних газогенераторах, а після виходу на режим газифікатора, відключають плазмотрони в плазмохімічних газогенераторах, і процес відновлення продовжують змішанням синтез-газу й відхідного газу із плавильної печі, при цьому визначають склад і температуру відновлювального газу, порівнюють із необхідними й, при зміні концентрації відновлювачів або температури більш ніж на 10%, корегують їх 7 шляхом повторного включення плазмохімічних газогенераторів, а відхідний із нижньої частини реактора попереднього відновлення газ подають плазмовим інжектором у внутрішню порожнину випалювальної печі, де його спалюють у повітряному середовищі з підтримкою горіння плазмовим струменем. Послідовність здійснюваних прийомів прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів із застосуванням плазмового відновлювального газу, а також синтез-газу, отриманого при газифікації твердого палива, які включають нагрівання, сушіння, відновлення й плавлення залізовмісних матеріалів, ефективне використання відхідних газів, дозволяє застосувати дану пропозицію на існуючих установках. При цьому будуть знижені експлуатаційні витрати й зменшена питома витрата тепла, отримано більш високий рівень розподілу газу для роботи пристроїв, що значно знижує витрати на попереднє відновлення залізовмісних матеріалів і одержання металу (високоякісної сталі). На кресленні представлена принципова схема установки. Установка включає плазмову плавильну піч 1, оснащену плазмотронами 2 непрямі дії, установленими опозитно один одному в протилежних стінках печі, реактор 3 попереднього відновлення, газифікатор 4 для одержання синтезгазу й випалювальну піч 5. Плавильна піч 1 примикає до реактора 3 і має з ним загальну бічну стінку 6. У футеровці реактора 3 попереднього відновлення виконані вертикальні канали для транспортування газу. Канал 7 розташований у загальній бічній стінці 6 і служить газовипускною магістраллю плавильної печі 1. Канали 8 розташовані в суміжній стінці. У нижньому торцевому отворі кожного каналу 8 установлений плазмотрон 9 непрямої дії. У реакторі 3, у порожнині каналів 7 і 8 установлені форсунки 10, 11 і 12 відповідно для подачі природного газу, пари й повітря (кисню), які в сукупності зі згаданими вузлами утворюють плазмохімічні газогенератори. Верхні відкриті торці каналів 7 і 8 розташовані із зазором щодо кришки 13 реактора. В утворену порожнину підведений трубопровід 14 транспортування синтез-газу з газифікатора 4. У нижній частині реактора 3 розташований трубопровід 15 відхідного із реактора газу, що через інжектор із соплом-конфузором 16 і встановленим у ньому плазмотроном 17 з'єднаний з випалювальною піччю 5. Трубопровід 18 відхідного газу з випалювальної печі 5 пов'язаний з димоходом 19. У нижній частині газифікатора 4 установлений плазмотрон 20 непрямої дії, а в трубопроводі 14 по ходу транспортування синтезгазу встановлений циклон 21, вузол сіркоочищення 22 і газоаналізатор 23. Газоаналізатори встановлені за допомогою патрубків 24 у кришці 13, каналі 7 і трубопроводі 15 газу, що відходить із реактора. У каналах 7 і 8 транспортування відновлювального газу й у порожнині, що граничить із кришкою 13 реактора попереднього відновлення, установлені термопари 25. 81725 8 Установка працює в такий спосіб. Перед завантаженням плавильної печі, реактора попереднього відновлення й газифікатора виконують їх прогрів до температур 900-1000°С. По досягненні заданої температури плавильна піч 1 і реактор 3 завантажують залізовмісним матеріалом -окатишами, а газифікатор 4-паливом, наприклад у вигляді вугільних брикетів. Проводять запуск плазмотрона 20, установленого в газифікаторі 4. Плазмотрон 20 працює тільки на початковій стадії нагрівання вугілля для створення вогнища горіння, після чого його відключають. Утворений в газифікаторі синтез-газ, пройшовши циклон, надходить у вузол сіркоочищення 22, де очищається від сірки і її компонентів і направляється у верхню частину реактора попереднього відновлення в порожнину, обмежену верхньою частиною футерівки й кришкою 13. Склад газу, що утворився в газифікаторі, контролюють газоаналізатором 23. Запускають плазмотрони 2, які розміщені в плавильні печі 1, і плазмотрони 9, установлені у вертикальних каналах 8. У плавильній печі нагрітий до температури 2000-2500°С і конвертований на СО і Н2 плазмоутворюючий газ у вигляді відновлювальних плазмових струменів продуває шар шихти. Відхідні із печі гази при температурі 1100-1300°С і значному змісті СО і Н2 надходять у канал 7 реактора попереднього відновлення. Для корекції температури і складу відновлювального газу в каналі 7 і в каналі 8 установлені термопари 25 і форсунки 10, 11 і 12 для подачі в порожнину каналів природного газу, пари й повітря (кисню). Відновлювальний газ через канали 7 і 8 надходить у верхню частину реактора попереднього відновлення, змішується із синтезгазом і, пройшовши через стовп шихти, відновлює її. Після виходу на режим газифікатора 4 плазмотрони 9 відключають. Склад газу визначають за допомогою газоаналізатора в каналі 7, у верхній і нижній частині реактора через патрубки 24. Для нагрівання й сушіння вихідного матеріалу відхідний газ з нижньої частини реактора попереднього відновлення подають по трубопроводу 15 плазмовим інжектором у внутрішню порожнину випалювальної печі 5, де його спалюють у повітряному середовищі з підтримкою горіння плазмовим струменем. Гази, що утворилися при згорянні у випалювальній печі, викидаються через димохід 19 в атмосферу. У наступних циклах роботи установки вихідний матеріал після випалювальної печі завантажують у реактор попереднього відновлення, а попередньо відновлене металізоване залізо завантажують гарячим (500-900°С) у плавильну піч, що дає можливість знизити споживання енергії для нагрівання/плавлення. Спосіб здійснений на експериментальній установці, конструкція якої описана вище. Режими відновлення розрізнялися витратами відновлювального газу й температурою відновлення. 9 Спосіб прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів шляхом газового відновлення, включає процес сушіння й випалу вихідного матеріалу, процес попереднього відновлення, процес розплавлювання й відновлення металу з розплаву. Вихідним матеріалом є різні окатиші. Процес розплавлювання матеріалу й відновлення металу з розплаву здійснюють у плазмовій плавильній печі, що служить також для одержання відновлювального газу. Гарячий відновлювальний газ (синтез-газ) одержують також у газифікаторі шляхом газифікації вугілля або інших вуглецевовмісних матеріалів. Реактор попереднього відновлення постачений плазмохімічними газогенераторами, розташованими у вертикальних каналах футерівки. Попереднє відновлення залізовмісних матеріалів роблять спочатку відновлювальним газом шляхом змішання у верхній частині реактора газу, що відходить із плазмової плавильної печі, і відновлювального газу, отриманого в плазмохімічних газогенераторах. У порожнині каналів транспортування відновлювального газу в реакторі, при необхідності корегування складу або температури газу, вприскують через форсунки природний газ, повітря (кисень) або пару. Після виходу на режим газифікатора, відключають плазмотрони в плазмохімічних газогенераторах, і процес продовжують змішанням синтез-газу й газу, що відходить із плавильної печі. Періодично визначають склад і температуру змішаного газу, і, при зміні концентрації відновлювачів або температури більш ніж на 10 % від необхідної, включають плазмохімічні газогенератори на час корегування. Перед завантаженням у реактор попереднього відновлення, окатиші піддають сушінню й випалу у випалювальній печі. Технологічні гази з нижньої частини реактора попереднього відновлення подають у внутрішню порожнину випалювальної печі плазмовим інжектором, де гази спалюють у повітряному середовищі з підтримкою горіння плазмовим струменем. Гази, що утворилися при згорянні, направляють у димохід. Описувана технологія забезпечує синхронну роботу кожного агрегату, поліпшує ефективність попереднього відновлення за рахунок керованого процесу одержання гарячого відновлювального газу й значно знижує витрати, пов'язані із прямим одержанням металу із залізовмісного матеріалу. Приклад конкретного виконання. В експериментальній установці, як вихідна сировина, використовувалися окатиші з інгулецького концентрату. Склад використовуваних окатишів FeO=30,5%, Fе2O3=61,0%, SiO2=1,5%, MgO=5,2%, CaO=1,8%. Вихідні окатиші завантажували в обертову випалювальну піч, внутрішнім діаметром 0,5м і довжиною внутрішньої порожнини 5м. Обертання печі відбувалося зі швидкістю 35 об/год. Продуктивність печі при цьому склала 2,5 т/год. Випал окатишів у печі здійснювався шляхом 81725 10 допалювання колошникового газу, що відходить із реактора, з температурою 100-200°С і складом N2=30%, Н2=30%, СO=13%, Н2O=7%, CO2=20%. При цьому витрата подаваного на допалювання повітря підбиралася такою, щоб температура продуктів горіння була в межах 600-700°С. Одночасно із цим у реакторі попереднього відновлення проходило попереднє (до ступеня 6070% металізації) відновлення окатишів, обпалених у попередньому циклі роботи обертової печі, а в плазмовій плавильної печі остаточне відновлення й плавлення попередньо відновлених окатишів. Відновлення у реакторі здійснювалося сумішшю гарячих (1000-1100°С) відновлювальних газів. На першому етапі змішувався відхідний газ із плазмової плавильної печі й плазмохімічних газогенераторів, установлених у реакторі попереднього відновлення. При цьому газ мав наступний склад: N2=38%, Н2=32%, СO=30%. Через 20хв після початку роботи установки завершився вихід газифікатора на режим, а саме, склад синтез-газу зрівнявся із проектним: N2=5%, H2=34%, СO=61%. Після цього форсунки й плазмотрони, установлені в плазмохімічних газогенераторах, відключили, внаслідок чого склад відновлювального газу у реакторі змінився на наступний: N2=22%, Н2=38%, СO=40%. Так як це привело до поліпшення складу відновлювального газу, форсунки в плазмохімічних газогенераторах не включали. Середня продуктивність реактора попереднього відновлення по металізованих окатишах склала 1,7т/год. Джерелом гарячого (2000-2500°С) відновлювального газу в плазмовій плавильній печі на експериментальній установці були чотири плазмотрони з максимальною споживаною потужністю 0,5МВт. Витрата робочих компонентів (повітря й природний газ) на кожний плазмотрон становила 50г/с. Через годину після початку роботи комплексу перша порція окатишів (2т), завантажена в плазмову плавильну піч, була повністю розплавлена. Це дозволило приступитися до дозавантаження матеріалу в плавильну піч і перейти на процес розплавлювання й відновлення металу з розплаву. Однак початок дозавантаження позначився зменшенням температури (на 150°С) і погіршенням складу (склад став: N2=38%, Н2=38%, СO=18%, Н2O=2%, СO2=4%) відхідного із плазмової плавильної печі газу. З метою компенсації цих змін був включений один із плазмотронів у плазмохімічному газогенераторі реактора й форсунка природного газу (витрата на форсунку 15г/с) у каналі відводу газу із плазмової плавильної печі. За кінцевими результатами роботи комплексу, середня продуктивність по первинному залізу склала 1,4 т/год. Були виконані теоретичні термохімічні розрахунки, що стосуються технології прямого одержання металу із залізовмісних матеріалів відповідно до запропонованої конструкції установки. 11 Запропонована група винаходів дозволяє цілеспрямовано використовувати високий відновлювальний потенціал і дає можливість передачі істотної кількості тепла відновлювального газу, вироблюваного в плавильній печі, і сприяє тому, що інші окремі пристрої установки можуть забезпечуватися теоретично мінімальною кількістю відновлювального газу, і тому можуть мати відповідно менші габарити й, отже, менше споживання енергоресурсів. 81725 12