Спосіб відновлення зернистих руд, що містять оксид, за допомогою газу (варіанти)

Винахід відноситься до способу відновлення зернистих руд, що містять окис, за допомогою газу, зокрема, матеріалу, що містить окис заліза, у спосіб відновлення у псевдозрідженому шарі під тиском £ 5 бар, у який руду, можливо ще й попередньо відновлену (металізовану), за допомогою відновного газу, що отримують з вугілля, підігрівають у реакторі з псевдозрідженим шаром, передбаченому як стадія попереднього підігріву, опісля відновлюють у губчасте залізо у принаймні одному реакторі з псевдозрідженим шаром, передбаченому як стадія відновлення, причому відновний газ через подавальний канал відновного газу або канал відновного газу подають зі стадії відновлення до стадії попереднього підігріву у напрямку, протилежному напрямку подачі матеріалу, що відновлюється, і подають зі стадії до стадії та після очищення відводять як корисний відхідний газ для іншого використання. Винахід відноситься ще й до пристрою для здійснення цього способу. Якщо відновлення зернистих р уд, що містять окис, провадять у кількох послідовно з'єднаних реакторах з псевдозрідженим шаром, а відновний газ з одного реактора до іншого подають у протитечії до руди, тверді частки поступово підігріваються, а ентальпія відновного газу у той же час зменшується, частково також через реакції, що протікають при відновленні. На окремих стадіях відновлення це може призвести до температур, настільки низьких, що реакція між відновним газом і рудою, що містить окис, гальмуватиметься кінетично та термодинамічно, тобто, відновлення руди підчас її тимчасового перебування у відновному реакторі не здійснюватиметься у бажаній мірі. У зазначений спосіб, відомий з патенту AT 402937В, матеріал, що містить окис заліза, відновлюють у чотирьох послідовно з'єднаних зонах відновлення у псевдозрідженому шарі. Щоб встановлювати постійну, більш-менш однакову температуру в усіх зонах відновлення у псевдозрідженому шарі, у додаток до відновного газу, що протікає скрізь влаштовані послідовно зони відновлення у псевдозрідженому шарі, безпосередньо до зон відновлення у псевдозрідженому шарі, наступних до зони відновлення у псевдозрідженому шарі, яка є першою за напрямком потоку відновного газу, частково подають свіжоотриманий відновний газ. Таким чином, зони відновлення у псевдозрідженому шарі з'єднані як послідовно, так і паралельно щодо проходження відновного газу. У варіанті здійснення, якому надається перевага, додатковий свіжоотриманий відновний газ подається до окремих зон відновлення у псевдозрідженому шарі у кількості 5-10%. Втім, із таким способом пов'язаний недолік, який полягає у тому, що стадії попереднього відновлення треба конфігурувати з урахуванням кількості газу, яка стає у напрямку стадії попереднього підігріву все більшою та більшою, оскільки на кожній наступної стадії остаточного відновлення до відновного газу, що виходить з попередньої стадії, додають додатковий свіжий відновний газ. Якщо зважити ще й на те, що у зоні остаточного відновлення певна кількість відновного газу у будь-якому разі потрібна для повного відновлення окису з матеріалу, що використовується, незалежно від того, є чи немає додаткової паралельної подачі відновного газу, рішення за патентом AT 402937В призводить з урахуванням усього до більшого споживання відновного газу. У заявках WO 97/13880А та WO 97/13878А описаний спосіб, у який частину відновного газу, що протікає зі стадії остаточного відновлення до стадії попереднього відновлення, відгалужують, промивають, очищають від СО2 та підігрівають і опісля повертають до стадії остаточного відновлення. На стадії попереднього підігріву кисень разом з частиною відновного газу, поданого до цієї стадії, спалюють, щоб підвищити його (відновного газу) температуру. У способах за заявками WO 97/13880А та WO 97/13878А лише температури у реакторах з псевдозрідженим шаром, що відповідають стадії остаточного відновлення та стадії попереднього підігріву, регулюють шля хом рециркуляції та (або) часткового спалення газу. Однак реактори, розташовані між цими двома стадіями, є незалежними від умов в останньому реакторі з псевдозрідженим шаром. З патенту Японії JP 58-34114А є відомим спосіб відновлення дрібнозернистої залізної руди, у який відновний газ для остаточної стадії відновлення отримують через розклад та риформінг вуглеводню окислювальним відхідним газом, витягнутим із зони остаточного відновлення, а окиси з залізної руди попередньо відновлюють на першій стадії за допомогою вуглецю, виділеного з вуглеводню. Для забезпечення енергії, необхідної для отримання відновного газу, окислювальний відхідний газ перед контактом з вуглеводнем підігрівають. У патенті США 3985547А описаний спосіб відновлення залізної руди у реакторі з кількома псевдозрідженими шарами, у який свіжий відновний газ утворюють субсте хіометричним спалюванням метану та кисню у пов'язаному з реактором пальнику, вихідний отвір якого знаходиться між найнижчим псевдозрідженим шаром і псевдозрідженим шаром над ним. Використаний відновний газ, що виходить з самого верхнього псевдозрідженого шару, очи щують, звільняють від води та СО2 та у підігрітому стані подають до найнижчого псевдозрідженого шару як відновний газ, що рециркулюється. Задача винаходу полягає у забезпеченні у способі, описаному вище, можливості незалежного підвищення температури на окремих стадіях відновлення без потреби у значному підвищенні кількості відновного газу або збільшенні розмірів елементів пристрою. Задача полягає у тому, щоб встановлювати температуру на кожній окремій стадії відновлення у псевдозрідженому шарі та встановлювати оптимальне співвідношення між температурою твердої речовини та газу, а також оптимальну якість газу поверх стадій відновлення у псевдозрідженому шарі. Цю задачу пропонується вирішити у такий спосіб. До відновного газу, що подають до стадії відновлення та (або) стадії попереднього підігріву, подають тепло, а саме шляхом спалення разом із киснем та (або) повітрям частини відновного газу, призначеного для відновлення за допомогою газу на стадії відновлення та (або) стадії попереднього підігріву. Часткове спалення відновного газу представляє собою найефективніше додання ентальфії, а також має ту перевагу, що немає потреби у будь-якому значному підвищенні кількості газу. Ця задача вирішується також завдяки тому, що тепло подають до відновного газу через спалення разом із киснем та (або) повітрям частини корисного відхідного газу. Ще одна можливість досягти мети винаходу полягає у спаленні разом із киснем та (або) повітрям частини охолоджувального газу, що використовують для охолодження відновного газу, котрий має подаватися до зони остаточного відновлення, і подачі отриманого у такий спосіб тепла до відновного газу, що подають до стадії відновлення та (або) стадії попереднього підігріву. Додання до відновного газу кисню дозволяє забезпечити індивідуальний розподіл енергії серед окремих реакторів, так що, приміром, у трьох реакторах з псевдозрідженим шаром вхідна температура відновного газу - з доданням кисню / повітря до усіх трьох реакторів - могла б бути такою: 920°С (перший реактор) / 890°С (другий реактор) / 900°С (третій реактор). У разі, якщо кисень/повітря додавалися лише перед реактором з псевдозрідженим шаром, що відповідає стадії попереднього підігріву (третій реактор), та у реактор остаточного відновлення (перший реактор), то щоб отримати такий самий результат відновлення, вхідні температури довелося б змінити на 920°С / 750°С / 1140°С, щоб призвело б до підвищеного теплового навантаження на реактор 3 та руду, завантажену у реактор 3. Запропонований спосіб дозволяє позбавитися цього недоліку. Завдяки запропонованому підвищенню температури відновного газу реакції автореформінгу стають кращими у термодинамічному та кінетичному відношенні, а пил, присутній у відновному газі, в одному з варіантів здійснення діє як каталізатор. У цих реакціях автореформінгу метан реагує з двоокисом вуглецю та (або) водяним паром з отриманням одноокису вуглецю та (або) водню. Це отримання in situ (на місці - лат.) відновних складових призводить до поліпшення хімічного складу відновного газу і, відтак, також поліпшення термодинамічних умов відновлення руди. У варіанті здійснення, якому надається перевага, частину відновного, корисного відхідного або охолоджувального газу, яка має бути спаленою, перед тим, як спалити, промивають, завдяки чому запобігають локально дуже високих температур, що спричинені спаленням пилових газів і можуть призвести до розплавлення пилу через реакцію Будуара (Boudouard). Кисень та (або) повітря, необхідні для спалення відновного газу, подають у подавальний канал відновного газу або канал відновного газу, який транспортує відновний газ до першої зони відновлення у псевдорозрідженому шарі та (або) з однієї зони відновлення у псевдорозрідженому шарі до наступної зони відновлення, краще, якщо через фурми, що у цей час діють як пальники. Завдяки такому рішенню значні вимоги до обладнання не висуваються. Ще одна можливість встановлення температури на стадіях відновлення у псевдорозрідженому шарі полягає у подачі тепла у відновний газ шляхом спалення зовнішнього горючого газу та (або) твердого та (або) рідкого пального разом із киснем та (або) повітрям. У варіанті здійснення, якому надається перевага, горючі гази або тверде та (або) рідке пальне спалюють у пальнику, що знаходиться у подавальному каналі відновного газу або каналі відновного газу. Відповідно, цей канал у даному місці може мати більший розмір. У ще одному варіанті здійснення, якому надається перевага, горючий газ або тверде та (або) рідке пальне спалюють у камері згоряння, відокремленій від подавального каналу відновного газу або каналу відновного газу. Горючі гази та, можливо, тверді речовини, що не згоріли, опісля подають у подавальний канал відновного газу або канал відновного газу. Завдяки такому рішенню фронти гарячого полум'я, що можуть виникати, вирівнюються до того, як вони вступають в контакт з пиловим відновним газом, де вони інакше могли б спричинити розплавлення пилу у цих каналах. У варіанті здійснення, якому надається перевага, горючий газ або тверде та (або) рідке пальне спалюють разом із киснем та (або) повітрям за допомогою принаймні одного пальника, що знаходиться у реакторі з псевдорозрідженим шаром. У цьому варіанті здійснення горючі гази подають безпосередньо до реактора з псевдорозрідженим шаром. У ще одному варіанті здійснення, якому надається перевага, до реактора з псевдорозрідженим шаром через пальник, краще, якщо фурму, подають лише кисень та (або) повітря, і відновний газ згоряє безпосередньо у реакторі. У цьому варіанті здійснення пальник можна зручно розмістити або нижче псевдорозрідженого шару, створеного у реакторі з псевдорозрідженим шаром, або на рівні псевдорозрідженого шару або над ним, і завдяки такому рішенню тепло у відновний газ можна подавати надзвичайно вибірково та особливо ефективно. Два останні варіанти здійснення мають особливі переваги, оскільки теплове навантаження на днище розподілювача є меншим і забруднення твердою речовиною на форсунках або отворах днища розподілювача або у середині їх вдається запобігти або принаймні зменшити. У варіанті здійснення пропонованого способу, якому надається перевага, для спалення додатково використовують відновний газ та (або) корисний відхідний газ та (або) охолоджувальний газ та (або) тверде та (або) рідке та (або) газоподібне пальне на вуглеводневій основі. Цей варіант здійснення має особливу перевагу, якщо будь-яке пальне із зазначеної вище гр упи є з лишком або якщо відновний газ, корисний відхідний газ та (або) охолоджувальний газ потрібні здебільшого для інших цілей і, відтак, у достатній кількості їх немає. У варіанті здійснення, якому надається перевага, до відновного газу, що подають на стадію відновлення та (або) стадію попереднього підігріву, домішують матеріал, який завдяки реакції, принаймні, частковій, з відновним газом, підвищує концентрацію відновників у відновному газі, зокрема, природний газ та (або) вугілля. У такий спосіб виключається можливість такого явища, як налипання, котре завадить процесу відновлення. Це пояснюється направленими голкоподібними виділеннями заліза на поверхнях дрібних часток руди, котрі починаються при високих температурах і низькому потенціалі відновлення. Реакцію цих матеріалів можна також провадити у пальнику. Подача додаткового пального дозволяє примусово впливати на виставлення температури, ступінь окислення відновного газу та, як варіант, на підвищення загальної кількості газу. Далі, пропонується спосіб, у який до відновного газу, що подають на стадію відновлення та (або) стадію попереднього підігріву, домішують матеріал, який завдяки реакції, принаймні, частковій, з відновним газом, підвищує концентрацію відновників у відновному газі, зокрема, природний газ та (або) вугілля, й у який згоряння не відбувається. Перевагою цього способу є запобігання зазначеного вище налипання. Нижче винахід буде докладніше пояснено з посиланнями на креслення, на яких Фіг.1-3 та 9 кожна показують варіант здіснення запропонованого способу у вигляді блок-схеми, Фіг.4 та 5 кожна показують варіанти здійснення способів, яким надається перевага, представленим на Фіг.2 та 3 відповідно, у вигляді блок-схеми, а на Фіг.6-8 показана збільшена деталь варіанта здійснення, якому надається перевага, у схематичному вигляді. На Фіг.1 показані три реактори з псевдорозрідженим шаром 1 -3, з'єднані послідовно у ряд. Матеріал, що містить окис заліза, приміром, дрібнозернисту р уду, через подавальний канал руди 4 подають до першого реактора з псевдорозрідженим шаром 1, у якому на стадії попереднього підігріву 5 відбувається попередній підігрів та, як варіант, попереднє відновлення (металізація) дрібнозернистої руди, а опісля через подавальні канали 6 подають з реактора з псевдорозрідженим шаром 1 до реакторів з псевдорозрідженим шаром 2 та 3. У реакторі з псевдорозрідженим шаром 2 попереднє відновлення провадять на стадії попереднього відновлення 7, а у реакторі з псевдорозрідженим шаром 3 провадять остаточне відновлення дрібнозернистої руди у губчасте залізо на стадії остаточного відновлення 8. Повністю відновлений матеріал, тобто, губчасте залізо, подають до плавильного газифікатора 10 через подавальний канал 9. У плавильному газифікаторі 10 в зоні плавильної газифікації 11 з вугілля та газу, що містить кисень, отримують відновний газ, що містить СО та Н2, котрий через подавальний канал відновного газу 12 вводять до реактора з псевдорозрідженим шаром 3, розташованого останнім у напрямку потоку дрібнозернистої руди. Процес відновлення у псевдорозрідженому шарі здійснюють під тиском £ 5 бар. Відновний газ у протитечії до потоку руди подають з реактора з псевдорозрідженим шаром 3 до реакторів з псевдорозрідженим шаром 2 та 1 через канали відновного газу 13 і далі через канал 14, що відводить корисний відхідний газ, відводять з реактора з псевдорозрідженим шаром 1 як корисний відхідний газ і потім охолоджують і промивають у мокрому скрубері 15. Плавильний газифікатор 10 має пристрій подачі 16 для твердих носіїв вуглецю, пристрій подачі 17 для газів, що містять кисень, і, як варіант, пристрій подачі для носіїв вуглецю, котрі при кімнатній температурі є рідкими або газоподібними, скажімо, вуглеводи, а також для флюсів, що згоріли. У плавильному газифікаторі 10 розплавлений переробний чавун та (або) розплавлений матеріал, що передує сталі, та розплавлений шлак, що випускають через випускний отвір 18, збирають нижче зони плавильної газифікації 11. У подавальному каналі відновного газу 12, який відходить від плавильного газифікатора 10 та відкривається у реактор з псевдорозрідженим шаром 3, передбачено пиловловлювач 19, скажімо, циклон гарячого газу. Частинки пилу, відділені у цьому циклоні, подають до плавильного газифікатора 10 через канал рециркуляції 20 з використанням азоту як передавального середовища і через пальник 21 з продувкою киснем. Від подавального каналу відновного газу 12 відходить канал рециркуляції газу 22, через який через скрубер 23 та компресор 24 частину відновного газу знову повертають до подавального каналу відновного газу 12, що уможливлює виставлення температури відновного газу. У каналі відновного газу 13 або подавальному каналі відновного газу 12 перед реакторами з псевдорозрідженим шаром 1 -3 у напрямку потоку газу передбачені пальники 25, 25' та 25", у які для часткового спалення відновного газу подають кисень та (або) повітря. Ці пальники мають подавальне місце для горючого газу та кисню та (або) повітря, а також камери згоряння 25а, 25'а та 25"а. Ці пальники 25, 25' та 25" можна також виконати як фурми, що подають кисень та (або) повітря, причому частина каналу відновного газу діє як камера згоряння пальника 25. Для подачі кисню можна також використати газ, що містить кисень. Через кількість кисню та (або) повітря, що подається, можна окремо регулювати спалення та, відтак, температуру відновного газу відповідно до вимог стадій відновлення та (або) стадії попереднього підігріву, завдяки чому утворюються сприятливі для відновлення термодинамічні умови, покращуються реакції автореформінгу та, крім того, зменшується теплове навантаження на реактор з псевдорозрідженим шаром. У запропонованому варіанті способу, представленому на Фіг.2, від каналу 14, що відводить корисний газ, після мокрого скрубера 15 відгалужують канал корисного відхідного газу 26, через який частину очищеного корисного відхідного газу через компресор 27 подають паралельно у пальники 25, 25' та 25", передбачені у каналах відновного газу 13 і подавальному каналі відновного газу 12 так, що він тут згоряє разом із киснем та (або) повітрям і у такий спосіб забезпечує необхідне тепло для відновного газу. Запропонований спосіб, представлений на Фіг.3, відрізняється від способу, представленому на Фіг.1 тим, що тепло у відновний газ подають шляхом спалення частини охолоджувального газу разом із киснем та (або) повітрям замість спалювання відновного газу, що подають до реакторів з псевдорозрідженим шаром. Для цього від каналу рециркуляції газу 22 після скрубера 23 відгалужують канал охолоджувального газу 28. Через цей канал охолоджувального газу частину охолоджувального газу через компресор 29 подають паралельно у пальники 25, 25' та 25". На Фіг.4 показано варіант здійснення способу, якому надається перевага, що показаний на Фіг. 2. У цьому випадку канал корисного відхідного газу 26 проходить у пальники 25, 25' та 25", котрі мають камери згоряння 25а, 25'а та 25"а, але, на відміну від представленого на Фіг.2, ці пальники не вбудовані в канали відновного газу 13 або подавальний канал відновного газу 12. На Фіг.5 проілюстровано варіант здійснення способу, представленого на Фіг.3, аналогічний Фіг.4. Ту частину о холоджувального газу, що призначена для спалення, спалюють разом із киснем та (або) повітрям в окремих камерах згоряння 25а, 25'а та 25"а, що є частинами пальників 25, 25і та 25", і опісля подають у канали відновного газу 13 або подавальний канал відновного газу 12. У варіанті здійснення, якому надається перевага, горючий газ (відновний, корисний відхідний або охолоджувальний газ), що використовується, спалюють разом із киснем та (або) повітрям за допомогою пальника, пов'язаного з реактором з псевдорозрідженим шаром. Реактор з псевдорозрідженим шаром 30, схематично представлений на Фіг.6, має внутрішній простір 31, поділений на три зони, подавальний канал газу 32, що входить у зазначений внутрішній простір через днище, та канал відхідного газу 33, що відходить від зазначеного внутрішнього простору зверху. Найнижча зоні 34 відокремлена від середньої зони 25 днищем розподілювача 37, котре рівномірно розподіляє по всьому поперечному перерізу реактора з псевдорозрідженим шаром 30 відновний газ, що протікає знизу доверху через внутрішній простір 31 реактора з псевдорозрідженим шаром 30, і у такий спосіб створює однорідний псевдорозріджений шар дрібнозернистої руди. Межа між середньою зоною 35, утвореною псевдорозрідженим шаром, і найвищою зоною 36, що називається шахтою, є менш вираженою, ніж у разі двох нижчих зон. У ша хті газовий простір заспокоєний, і через це відвід часток руди з реактора з псевдорозрідженим шаром 30 зменшено до мінімуму. У найнижчій зоні 34 нижче днища розподілювача 37 передбачено пальник 38, до якого підведено канал кисню та (або) повітря (не показаний), а також канал для відновного, корисного відхідного, охолоджувального, зовнішнього горючого газу та (або) твердого та (або) рідкого пального. Втім, можна також передбачити лише один канал для кисню та (або) повітря і спалювати відновний газ безпосередньо у реакторі. Гарячі горючі гази подають тепло у відновний газ, що протікає до реактора з псевдорозрідженим шаром 30, та (або) подають на реакції автореформінгу. У варіанті здійснення, якому надається перевага, до відновного газу можна також через пальник 38 домішати матеріал, який підвищує концентрацію відновників у відновному газі, скажімо, природний газ та (або) вугілля. У варіанті здійснення, представленому на Фіг.7, пальник 38 розташовано у середній зоні 35 у псевдорозрідженому шарі. Особлива перевага цього варіанта здійснення полягає у тому, що у разі, якщо відновний газ дуже запилений, немає ризику, що днище розподілювача заб'ється розплавленим пилом. На Фіг.8 показаний варіант здійснення, у якому пальник 38 розташовано поверх псевдорозрідженого шару 35, тобто, у ша хті 36. У цьому випадку теплопередача відбувається через випромінювання та (або) конвекцію частками, що ви ходять з псевдорозрідженого шару. Варіант здійснення способу, проілюстрований на Фіг.9, має по суті всі ознаки пристрою, представленого на Фіг.2. Але на відміну від Фіг.2, корисний вихідний газ не подають через канал 26 і компресор 27 у пальники 25, 25і та 25", що знаходяться у каналах відновного газу 13 та подавальному каналу відновного газу 12, а замість цього у пальники 25, 25' та 25" через канал 39 подають зовнішній горючий газ та (або) тверде та (або) рідке пальне. Винахід не обмежується представленими на кресленнях варіантами здійснення, котрі наведені для прикладу, і може змінюватися у будь-яких аспектах. Приміром, кількість реакторів з псевдорозрідженим шаром можна вибрати з огляду на потребу. Крім того, відновний газ можна отримати у різні відомі способи.