Установка для производства расплавленного железа путем инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала в газогенераторную плавильную печь и способ производства расплавленного железа с использованием такой установки - RU2346058C2
Код документа: RU2346058C2
Чертежи
Описание
Предпосылки создания изобретения
1. Область техники
Настоящее изобретение относится к установке для производства расплавленного железа путем инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала в газогенераторную плавильную печь и к способу производства расплавленного железа с использованием такой установки, в частности установки для производства расплавленного железа путем загрузки углеродсодержащего материала и исходного железа в газогенераторную плавильную печь и инжектирования в нее мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
2. Уровень техники
Металлургическая промышленность является главной отраслью, поставляющей основные материалы, необходимые для конструирования и производства автомобилей, судов, бытовой техники и т.д. Кроме того, это производство имеет самую длинную историю развития с начала истории человеческого общества. Сталеплавильные заводы, которые являются основным звеном металлургической промышленности, производят сталь из расплавленного металла и поставляют ее заказчикам. При этом сначала производится расплавленное железо (т.е. передельный чугун в расплавленном виде) с использованием железной руды и угля в качестве сырьевых материалов.
Сегодня приблизительно 60% мирового производства металла осуществляется способом плавки в доменных печах, которые используются, начиная с четырнадцатого века. В соответствии с вышеописанным способом железная руда, которая прошла через процесс обжига, и кокс, полученный из коксующегося каменного угля, используемого в качестве сырьевого материала, загружаются вместе в доменную печь, куда подается кислород для восстановления железной руды в железо, так что получается расплавленное железо. Для способа доменной плавки, который наиболее широко распространен на предприятиях, где получают расплавленное железо, необходимо, чтобы сырьевые материалы имели прочность не ниже определенной величины и такие размеры частиц, которые обеспечивали бы их газопроницаемость при нахождении в печи с учетом характеристик происходящих реакций. Для этого в качестве источника углерода, который используется как топливо и как восстановительный агент, необходим кокс, получаемый при переработке особых сортов угля. Кроме того, в качестве источника железа необходима обожженная руда, которая прошла последовательный агломерационный процесс. Таким образом, для современного процесса плавки в доменной печи необходимо иметь оборудование предварительной обработки сырьевых материалов, такое как оборудование для производства кокса и оборудование для обжига руды, т.е. в дополнение к доменной печи необходимо иметь вспомогательное оборудование, а также оборудование для предотвращения и уменьшения загрязнения окружающей среды, вызываемого таким вспомогательным оборудованием. Как следствие, большие средства, которые приходится вкладывать в такое оборудование, приводят к увеличению производственных затрат.
Для устранения этих недостатков доменной плавки на всех сталеплавильных заводах мира прилагаются значительные усилия по разработке процесса восстановительной плавки, при котором расплавленное железо получают при непосредственном использовании обычного угля (в качестве топлива и восстановительного реагента) и железной руды (в качестве источника железа).
Образуемый в газогенераторной плавильной печи уплотненный угольный слой используется для плавления железной руды и добавок и образования шлака, которые затем выгружаются в виде расплавленного железа и шлака. Кислород, вдуваемый через фурмы, установленные на внешней стенке газогенераторной плавильной печи, сжигает угольный слой. Кислород превращается в горячий восстановительный газ, который подается на реактор с псевдоожиженным слоем. Горячий восстановительный газ восстанавливает и обжигает железную руду и добавки и выпускается наружу.
Кусковой уголь, загружаемый в верхнюю часть газогенераторной плавильной печи, разделяется на мелкие фракции в результате термического удара. При этом он падает в купольную часть плавильной печи, в которой поддерживается высокая температура порядка 1000°С. Это сопровождается образованием значительного количества пыли, содержащей в большом количестве углеродные составляющие. Образование большого количества пыли ухудшает газопроницаемость плавильной печи. Для устранения этого недостатка в верхней части газогенераторной плавильной печи устанавливают пылеугольную горелку, которая сжигает пыль и подает при этом кислород в плавильную печь. При сжигании угольной пыли можно использовать теплоту сгорания углеродных составляющих, содержащихся в пыли.
Кусковой уголь загружается в газогенераторную плавильную печь и быстро нагревается в ее купольной части. Летучие вещества, содержащиеся в кусковом угле, сначала пиролизуются, превращаясь в пиролитический газ, имеющий цепочечную структуру CnHm, или в смоляную фазу, имеющую кольцевую структуру. Пиролизуясь сначала, а затем повторно, летучие вещества превращаются в восстановительный газ, такой как СО и H2. Тепло, необходимое для пиролиза, в ходе процесса поглощается, при этом температура купольной части снижается. Для того чтобы предотвратить снижение температуры, в дополнение к кислороду, который необходим для сжигания пыли, подают дополнительно кислород через пылеугольную или кислородную горелки. Часть восстановительного газа, образующегося в купольной части плавильной печи, сжигается при подаче кислорода, предотвращая снижение температуры в купольной части. Однако, несмотря на такой процесс сгорания, часть пиролитического газа или жидкого продукта сгорания угля не полностью пиролизуется в СО2 и Н2. Поэтому в восстановительном газе, выходящем из плавильной печи, имеется часть газа, содержащего депиролизованный углеводородный газ, такой как CH4.
Как описано выше, при загрузке кускового угля в плавильную печь теплота сгорания углерода, содержащегося в летучих веществах, в основном используется при пиролизе газа, образуемого из самих летучих веществ, и это повышает температуру пиролитического газа. Часть углеродсодержащего материала выпускается из плавильной печи, не выделяя при этом тепла, обеспечиваемого сгоранием. Поэтому из общего количества углеродсодержащего материала, содержащегося в кусковом угле, в нижней части плавильной печи сгорает только определенное количество этого материала. Исключение составляет углерод, содержащийся в летучих веществах. Соответственно, для обеспечения источника тепла, достаточного для производства расплавленного железа, количество используемого углеродсодержащего материала должно быть больше, чем это фактически необходимо. При этом депиролизованный углеводородный газ, такой как CH4, выпускается из плавильной печи, частично присутствуя в восстановительном газе. Кроме того, происходит частичный выпуск восстановительного газа, содержащего СО2 и H2O, в связи с поступлением дополнительного кислорода от газовой горелки. Как следствие, существует возможность ухудшения восстановительной способности восстановительного газа, подаваемого в восстановительный реактор.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков путем уменьшения расхода топлива при производстве расплавленного железа благодаря инжектированию мелкодисперсного углеродсодержащего материала в газогенераторную плавильную печь и подачи восстановительного газа, имеющего улучшенную восстановительную способность.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается установка для производства расплавленного железа, позволяющая более эффективно использовать теплоту сгорания угля путем инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Для решения вышеуказанных проблем в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ производства расплавленного железа, включающий следующие этапы: восстановление смесей, содержащих железную руду, в восстановительном реакторе и превращение смесей, содержащих железную руду в восстановленные материалы, приготовление кускового углеродсодержащего материала, содержащего летучие вещества, в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов, загрузку кускового углеродсодержащего материала в купольную верхнюю часть газогенераторной плавильной печи и образование уплотненного угольного слоя, приготовление мелкодисперсного углеродсодержащего материала, содержащих летучие вещества, в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов, инжектирование кислорода и мелкодисперсного углеродсодержащего материала в угольный слой через фурму, установленную в газогенераторной плавильной печи, загрузку восстановленных материалов в газогенераторную плавильную печь, соединенную с восстановительным реактором, производство расплавленного железа и подачу восстановительного газа, образованного летучими веществами, содержащимися как в кусковом углеродсодержащем материале, так и в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, из плавильной печи в восстановительный реактор.
Мелкодисперсный углеродсодержащий материал может содержать летучие вещества в пределах от 8,0 до 35,0 мас.%, при этом на этапе приготовления мелкодисперсного углеродсодержащего материала, содержащего летучие вещества, в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов летучие вещества могут содержать углерод и водород.
Степень набухания мелкодисперсного углеродсодержащего материала составляет предпочтительно не более 6,0.
Кусковой углеродсодержащий материал может содержать летучие вещества в пределах от 20,0 до 35,0 мас.%, при этом на этапе приготовления кускового углеродсодержащего материала, содержащего летучие вещества, в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов летучие вещества могут содержать углерод и водород
Размер частиц кускового углеродсодержащего материала может быть предпочтительно в пределах от 8 до 35 мм.
Этап приготовления кускового углеродсодержащего материала предпочтительно включает сортировку угольного сырья на мелкий уголь и кусковой уголь и приготовление кускового углеродсодержащего материала, при котором кусковой уголь входит в контакт с горячим газом и затем высушивается.
Предлагаемый способ может дополнительно включать инжектирование отсортированного мелкого угля в качестве мелкодисперсного углеродсодержащего материала в угольный слой.
Предлагаемый способ может дополнительно включать транспортировку мелкого угля, который собирают при контактировании кускового угля с горячим газом, и инжектирование мелкого угля в качестве мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Кусковой углеродсодержащий материал может содержать угольные брикеты, а этап подготовки кускового углеродсодержащего материала может включать сортировку угольного сырья на мелкий уголь и кусковой уголь и прессование мелкого угля и изготовление угольных брикетов.
Изготовление угольных брикетов может включать стадии сушки мелкого угля, добавления связующего к мелкому углю и их перемешивания и прессования мелкого угля после добавления связующего и перемешивания и изготовления угольных брикетов.
Стадия изготовления угольных брикетов может также включать транспортировку мелкого угля, собранного на стадии его сушки, и инжектирование мелкого угля в качестве мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Мелкодисперсный углеродсодержащий материал предпочтительно получают путем дробления угольного сырья так, чтобы максимальный размер частиц мелкодисперсного углеродсодержащего материала после измельчения составил 3 мм на этапе инжектирования указанных материалов в угольный слой.
Предпочтительно, чтобы на этапе подачи восстановительного газа в восстановительный реактор степень окисления восстановительного газа уменьшалась в пределах от 0 до 11,432% с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Целесообразно, чтобы количество таза СН4 в плавильной печи уменьшалось с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала, а степень окисления восстановительного газа уменьшалась с уменьшением количества газа СН4.
Предпочтительно, чтобы выполнялось условие y=0.0001х, где х обозначает вводимое количество мелкодисперсного углеродсодержащего материала, а y обозначает восстанавливающее количество газа СН4 в газогенераторной плавильной печи и где х измеряется в кг/т, y измеряется в %, а 0,0001 имеет размерность %/(кг/т).
Предпочтительно, чтобы выполнялось условие -3,4718≤1,6653х-y≤1,3824, где х обозначает количество газа СН4 в газогенераторной плавильной печи, а y обозначает степень окисления восстановительного газа и где х измеряется в объемных %, y измеряется в % и 1,3824 имеет размерность % /об.%.
Предпочтительно, чтобы выполнялось условие 1,6653х-y=-1,1472, где х обозначает количество газа CH4 в газогенераторной плавильной печи, а y обозначает степень окисления восстановительного газа и где х измеряется в объемных %, y измеряется в % и 1,6653 имеет размерность %/об.%.
Предпочтительно, чтобы выполнялось условие y=-2,10х+103,9, где х обозначает степень окисления восстановительного газа, а y обозначает степень восстановления восстановленных материалов и где х измеряется в %, y измеряется в % и 103,9 имеет размерность %.
Предпочтительно, чтобы температура горения в плавильной печи уменьшалась с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала на этапе инжектирования указанных материалов в угольный слой.
В тех случаях, когда количество мелкодисперсного углеродсодержащего материала увеличивается на 50 кг на 1 тонну расплавленного железа, целесообразно уменьшить температуру горения в плавильной печи на 200°.
При превращении смесей, содержащих железную руду, в восстановленные материалы на этапе восстановления указанных смесей в восстановительном реакторе и превращения указанных смесей в восстановленные материалы указанные смеси могут псевдоожижаться посредством многокаскадных восстановительных реакторов, соединяемых последовательно.
Указанный этап превращения в восстановленные материалы может также включать уплотнение восстановленных материалов перед их загрузкой в плавильную печь.
На этапе восстановления смесей, содержащих железную руду, в восстановительном реакторе и превращения указанных смесей в восстановленные материалы в качестве восстановительного реактора может использоваться реактор с псевдоожиженным слоем.
На этапе восстановления смесей, содержащих железную руду, в восстановительном реакторе и превращения указанных смесей в восстановленные материалы в качестве восстановительного реактора может использоваться реактор с уплотненным слоем.
На этапе инжектирования кислорода и мелкодисперсного углеродсодержащего материала в угольный слой через фурму, установленную в газогенераторной плавильной печи, предпочтительно, чтобы длина зоны горения, формируемой перед фурмой, находилась в пределах от 0,7 до 1,0 м,
Установка для производства расплавленного железа в соответствии с настоящим изобретением содержит восстановительный реактор для восстановления смесей, содержащих железную руду, и превращения указанных смесей в восстановленные материалы, устройство подачи угля для подачи кускового углеродсодержащего материала, содержащего летучие вещества, в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов, соединенную с восстановительным реактором газогенераторную плавильную печь, имеющую купольную верхнюю часть, в которую загружаются восстановленные материалы, соединенную с устройством подачи угля газогенераторную плавильную печь, в которую загружается кусковой углеродсодержащий материал, газогенераторную плавильную печь, в которую через фурмы, установленные сбоку от указанной плавильной печи, вводятся кислород и мелкодисперсный углеродсодержащий материал, содержащий летучие вещества, устройство подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала, и трубопровод для подачи восстановительного газа, образованного летучими веществами, которые содержатся как в кусковом углеродсодержащем материале, так и в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, из плавильной печи в восстановительный реактор.
Мелкодисперсный углеродсодержащий материал может содержать летучие вещества в пределах от 8,0 до 35,0 мас.%, а летучие вещества могут содержать углерод и водород.
Степень набухания мелкодисперсного углеродсодержащего материала составляет предпочтительно не более 6,0.
Кусковой углеродсодержащий материал может содержать летучие вещества в пределах от 20,0 до 35,0 мас.%, а летучие вещества могут содержать углерод и водород.
Размер частиц кускового углеродсодержащего материала может быть предпочтительно в пределах от 8 до 35 мм.
Устройство подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала может содержать накопительный бункер для хранения угольного сырья, дробилку для измельчения угольного сырья и производства мелкодисперсного углеродсодержащего материала, соединенную с накопительным бункером для хранения угольного сырья, накопительный бункер для хранения мелкодисперсного углеродсодержащего материала, соединенный с дробилкой, устройство подачи в режиме компенсации давлений необходимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала из накопительного бункера для хранения мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь, разделитель, установленный над плавильной печью, для регулирования подаваемого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала, трубопровод для подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала в фурмы, соединенный с устройством подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
С фурмами могут быть соответственно соединены несколько разделителей, на каждый из которых равномерно подается мелкодисперсный углеродсодержащий материал, который затем подается на фурмы.
Предлагаемая установка может дополнительно включать смесительную камеру, установленную около фурм, трубопровод для подачи вспомогательного газа в смесительную камеру, соединенный со смесительной камерой, и трубопровод для инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала, соединенный со смесительной камерой и фурмами. Смесительная камера может быть соединена с устройством подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала, и материал, подаваемый с этого устройства, может вводиться с помощью вспомогательного газа в плавильную печь через трубопровод для инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Мелкодисперсный углеродсодержащий материал может подаваться в смесительную камеру с помощью транспортирующего газа.
Предпочтительно, чтобы скорость потока мелкодисперсного углеродсодержащего материала, выгружаемого из трубопровода для его инжектирования, регулировалась в пределах от 40 до 70 м/сек путем регулирования количества вспомогательного газа, подаваемого из трубопровода для подачи вспомогательного газа.
В качестве вспомогательного газа может использоваться горючий газ.
Трубопровод для подачи вспомогательного газа желательно располагать под углом в пределах от 30 до 90° относительно трубопровода для инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Устройство подачи угля может включать оборудование для изготовления и подачи угольных брикетов путем прессования мелкого угля.
Оборудование для изготовления угольных брикетов может содержать сушильную камеру для сушки мелкого угля, пылеуловитель для сбора пыли, образующейся в сушильной камере, смеситель, соединенный с сушильной камерой, который добавляет связующее к высушенному мелкому углю и перемешивает их, и пару валков, соединенных со смесителем, которые производят угольные брикеты посредством прессования измельченного угля после добавления связующего и перемешивания.
Пылеуловитель может подавать собранную пыль в качестве мелкодисперсного углеродсодержащего материала на устройство его подачи.
Устройство подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала может быть соединено с оборудованием для изготовления и подачи угольных брикетов, при этом мелкодисперсный углеродсодержащий материал подается с указанного устройства подачи.
В качестве восстановительных реакторов могут использоваться многокаскадные реакторы с псевдоожиженным слоем, соединенные последовательно.
Установка для производства расплавленного железа может также включать соединенное с восстановительным реактором устройство для производства спрессованного железа путем уплотнения восстановленных материалов, при этом спрессованное железо, полученное на указанном устройстве для его производства, подается в газогенераторную плавильную печь.
В качестве восстановительного реактора может использоваться реактор с уплотненным слоем.
Предпочтительно, чтобы длина зоны горения, формируемой перед фурмой, находилась в пределах от 0,7 до 1,0 м.
Краткое описание чертежей
Указанные и другие признаки и преимущества данного изобретения будут более очевидны из подробного описания примеров осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 представляет собой схему установки для производства расплавленного железа в соответствии с первой формой реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой схему установки для производства расплавленного железа в соответствии со второй формой реализации настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет собой схему установки для производства расплавленного железа в соответствии с третьей формой реализации настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой схему устройства для производства спрессованного железа в соответствии с четвертой формой реализации настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет собой схему устройства для производства спрессованного железа в соответствии с пятой формой реализации настоящего изобретения.
Фиг.6 схематично поясняет инжектирование мелкодисперсного углеродсодержащего материала в установке для производства расплавленного железа в соответствии с формами реализации настоящего изобретения с первой по пятую.
Фиг.7 представляет собой кривую, показывающую соотношение между вводимым количеством мелкодисперсного углеродсодержащего материала и восстановительным количеством газа СН4 в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 представляет собой кривую, показывающую соотношение между количеством газа СН4 и степенью окисления восстановительного газа в соответствии со вторым примером осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 представляет собой кривую, показывающую соотношение между степенью окисления восстановительного газа и степенью восстановления восстановленных материалов в соответствии с третьей формой реализации настоящего изобретения.
Фиг.10 представляет собой кривую, показывающую восстановительное воздействие топлива при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала при производстве расплавленного железа в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Ниже представлено объяснение форм реализации настоящего изобретения со ссылкой на фиг.1-6. Представленные формы реализации настоящего изобретения используются только в качестве иллюстрации, и изобретение не ограничивается только этими примерами.
На фиг.1 схематично представлен процесс инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала в газогенераторную плавильную печь 20. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал вводится вместе с кислородом в плавильную печь 20 через фурмы 202.
Верхняя часть 206 газогенераторной плавильной печи 20 имеет купольную форму, что отличает ее от доменной печи. Купольная верхняя часть расположена над уплотненным угольным слоем плавильной печи 20. Объем V2 угольного слоя, образуемого в плавильной печи 20, имеет меньшие размеры, чем объем V1 купольной верхней части 206. Такая конструкция купольной верхней части 206 позволяет уменьшить расход газа. Благодаря этому предотвращается выброс пыли из плавильной печи 20, содержащейся в восстановленных материалах, загружаемых в плавильную печь 20, и пыли, возникающей в результате быстрого увеличения температуры угля в угольном слое.
Вследствие непосредственного использования угля в плавильной печи 20 количество образуемого газа постоянно меняется. Купольная верхняя часть 206 поглощает изменения давления в плавильной печи 20, вызываемые колебаниями количества газа. Для этой цели в купольной верхней части 206 плавильной печи 20 поддерживается давление и режим высоких температур от 900 до 1100°С. Благодаря высоким температурам в купольной части 206 смоляные составляющие, образуемые в процессе удаления летучих веществ из угля, могут полностью разлагаться.
При попадании в угольный слой восстановленное железо превращается в расплавленный металл и расплавленные шлаки. В результате под угольным слоем образуется слой полукокса. В данном случае под полукоксом имеется в виду продукт газификации угля. Полукокс сжигается кислородом, вводимым (вдуваемым) через фурмы 202, и разрушается. Для сохранения одинакового объема угольного слоя необходимо установить баланс между объемом смесей, содержащих уголь, восстановленное железо и добавки, и объемом полукокса, который сжигается и разрушается в нижней части плавильной печи. Предпочтительно, чтобы угольный слой по форме напоминал перевернутый конус, т.е. имел большую верхнюю часть и малую нижнюю часть. В соответствии с изобретением плавильная печь 20 находится под давлением в результате образования дополнительного количества восстановительного газа при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
В связи с тем, что конструкция доменной печи полностью отличается от формы вышеописанной газогенераторной плавильной печи 20, также сильно отличаются и физические процессы производства расплавленного железа. Отличительными признаками доменной печи являются малая верхняя часть и большая нижняя часть, что существенно отличает ее от газогенераторной плавильной печи 20, в частности, с точки зрения образования большого количества восстановительного газа.
В соответствии со способом плавки в доменной печи расплавленное железо производят с использованием обожженной руды и кокса, имеющего повышенную прочность благодаря предшествующему удалению летучих веществ. Поскольку из летучих веществ газ не образуется, то во внутренней части доменной печи сохраняется давление не более двух атмосфер. Вследствие отсутствия газа, образованного из летучих веществ, количество восстановительного газа не увеличивается и обеспечивается только подача тепла вместо кокса, несмотря на инжектирование пылевидного угля в домну. Кроме того, происходит значительный теплообмен между газом и твердыми частицами кокса и обожженной руды, скопившимися в верхней части доменной печи. Поэтому температура газа, выпускаемого из верхней части доменной печи, составляет не более 200°С.
В соответствии с настоящим изобретением летучие вещества, содержащиеся в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, и углеродсодержащие материалы, содержащиеся в связанном углероде, сжигаются при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Теплота сгорания, образуемая при сжигании углеродсодержащего материала, используется для производства расплавленного железа. Кроме того, при сжигании горячий мелкодисперсный углеродсодержащий материал образует большое количество горячего восстановительного газа, содержащего только СО и Н2. Большое количество горячего восстановительного газа пропускают через угольный слой и подают в купольную часть плавильной печи 20. Благодаря этому обеспечивается подача энергии, необходимой для пиролиза кускового углеродсодержащего материала, загружаемого в плавильную печь 20. Кроме того, благодаря инжектированию мелкодисперсного углеродсодержащего материала уменьшается необходимое количество кускового углеродсодержащего материала, загружаемого в плавильную печь 20. В соответствии с настоящим изобретением, которое отличается от процесса инжектирования пылевидного угля, в плавильную печь вводится мелкодисперсный углеродсодержащий материал, содержащий большое количество летучих веществ, в результате чего увеличивается количество восстановительного газа.
Благодаря инжектированию мелкодисперсного углеродсодержащего материала может быть уменьшено количество дополнительного кислорода, подаваемого пылеугольной или кислородной горелкой, установленной в купольной части плавильной печи. Благодаря этому в купольной части также уменьшается количество сгорающего восстановительного газа и количество депиролизованного углеводорода.
Как показано на фиг.1, кусковой углеродсодержащий материал загружается в верхнюю часть плавильной печи 20 и тем самым в печи образуется уплотненный угольный слой. Кусковой углеродсодержащий материал также используется в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов. Кусковой углеродсодержащий материал может также включать кусковой уголь или угольные брикеты.
В соответствии с настоящим изобретением используется кусковой углеродсодержащий материал, содержащий от 20,0 до 35,0 мас.% летучих веществ. В данном случае летучие вещества включают углерод и водород. Если количество летучих веществ, содержащихся в кусковом углеродсодержащем материале, менее 20,0 мас.% , то существует проблема того, что количество восстановительного газа, образуемого в плавильной печи 20, окажется значительно меньше, чем количество, необходимое для восстановления материалов в восстановительном реакторе 52. Если количество летучих веществ, содержащихся в кусковом углеродсодержащем материале более 35,0 мас.% , то возникают трудности с их использованием для производства расплавленного железа. В качестве кускового углеродсодержащего материала используются обычные сорта угля, такие как полукоксовый уголь. Кусковой углеродсодержащий материал может быть получен сортировкой угольного сырья и, предпочтительно, чтобы размер частиц этого угля составил в пределах от 8 до 35 мм. Если размер частиц кускового углеродсодержащего материала менее 8 мм, то невозможно обеспечить их необходимую газопроницаемость в плавильной печи. При использовании кускового углеродсодержащего материала с размером частиц более 35 мм ухудшается общая производительность процесса.
Смесь, содержащая железную руду, восстанавливается в восстановительном реакторе 52. Восстановленные материалы загружаются в плавильную печь и осуществляется производство расплавленного железа.
Восстановительный газ получают с использованием летучих веществ, содержащихся в мелкодисперсном углеродсодержащем материале в дополнение к летучим веществам, содержащимся в кусковом углеродсодержащем материале. Следовательно, в восстановительный реактор может подаваться восстановительный газ, имеющий повышенную восстановительную способность; таким образом может значительно увеличиваться коэффициент восстановления материалов. В результате может быть значительно уменьшен топливный коэффициент плавильной печи 20.
Мелкодисперсный углеродсодержащий материал подается на передний конец фурмы с помощью воздуха и вводится в фурму. Благодаря этому обеспечивается регулирование количества влаги, содержащейся в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, которое не должно превышать 2,0 мас.% для обеспечения транспортировки с помощью воздуха. Предпочтительно, чтобы количество летучих веществ в мелкодисперсном углеродсодержащем материале составляло в пределах от 8,0 до 35,0 мас.%. В данном случае летучие вещества содержат углерод и водород. Если количество летучих веществ, содержащихся в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, менее 8,0 мас.%, то образуемое количество дополнительного восстановительного газа от мелкодисперсного углеродсодержащего материала является незначительным. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал высушивается при транспортировке воздухом, так что маловероятно, чтобы содержание летучих веществ превысило 35,0 мас.%. В качестве мелкодисперсного углеродсодержащего материала могут использоваться полуантрацит и полукоксовый уголь, в которых содержание летучих веществ составляет не более 35,0 мас.%.
Размер частиц мелкодисперсного углеродсодержащего материала при его инжектировании имеет определенные ограничения, чтобы исключить возможность образования пробок в соответствующем трубопроводе. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал дробят, чтобы размер частиц составил не более 3,0 мм, после чего углеродсодержащий материал готов к использованию. Используемый мелкодисперсный углеродсодержащий материал должен иметь степень набухания не более 6,0, чтобы исключить возможность образования пробок в фурме. При увеличении степени набухания увеличивается коксуемость и в связи с этим создается серьезная опасность слипания указанного материала. Так как мелкодисперсный углеродсодержащий материал, имеющий степень набухания не менее 6,0, слипается в процессе сушки, он трудно поддается дроблению для получения размера частиц, подходящего для транспортировки воздухом.
Кислород подается на газогенераторную плавильную печь 20 через фурмы 202, установленные в нижней части плавильной печи, и угольный слой нагревается до высокой температуры за счет тепла горения полукокса в кислороде. Фурмы 202 соединены с трубопроводом 113 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала и пылевидный уголь подается на фурмы 202 с устройства 10 подачи указанного материала. Пылевидный уголь с кислородом вводится в угольный слой через фурмы 202.
В данном случае длина d зоны горения 204 перед каждой фурмой находится в пределах от 0,7 до 1,0 м. Если длина d зоны горения 204 составляет менее 0,7 м, то существует вероятность повреждения устья фурмы 202, т.к. эта длина недостаточна. К тому же, если длина зоны горения 204 составляет более 1,0 м, то вследствие возросшей скорости потока происходит разлом полукокса. Поскольку через фурму 202 подается кислород, то длина зоны горения относительно невелика.
В способе производства расплавленного железа с использованием материалов прямого восстановления, содержащих железную руду и углеродсодержащий материал, инжектирование мелкодисперсного углеродсодержащего материала вместе с кислородом в угольный слой позволяет обеспечить ряд преимуществ. При инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь 20 через фурму 202 происходит его сгорание, равно как и летучих веществ, содержащихся в нем. Вследствие этого возрастает эффективность использования углерода и увеличивается количество восстановительного газа, что увеличивает степень окисления восстановленных материалов, содержащих железную руду. Это, в свою очередь, уменьшает расход топлива. К тому же благодаря полному сгоранию можно предотвратить образование газа СН4, что, в свою очередь, улучшает степень окисления, даже несмотря на уменьшение количества газа СН4. В соответствии с настоящим изобретением восстановительный газ, имеющий пониженную степень окисления, может подаваться из плавильной печи 20 в восстановительный реактор 52 посредством инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала, тем самым увеличивая степень восстановления материалов. При инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь 20 через фурму 202, установленную в ней, указанный материал напрямую контактирует с горячей зоной горения в плавильной печи и сгорает. Вследствие этого летучие вещества, содержащиеся в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, полностью разлагаются на углерод (С), водород (H2) и кислород (О2), в результате чего количество СН4, образующегося в результате неполного сгорания, невелико. К тому же за счет реакции, описываемой нижеприведенной химической формулой 1, образуется большое количество газа СО и газа Н2.
С+СО2→2СО
Поэтому восстановительный газ, имеющий уменьшенную степень окисления, может подаваться из плавильной печи на восстановительные реакторы благодаря большому количеству газа СО и газа Н2, таким образом восстанавливая смесь, содержащую железную руду, и затем превращая ее в восстановленные материалы. Так как смесь, содержащая железную руду, может включать добавки, это способствует обжигу восстановленных материалов.
При инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в газогенераторную плавильную печь 20 температура горения в плавильной печи 20 может уменьшаться в связи с пиролизом летучих веществ, содержащихся в углеродсодержащем материале. Поэтому такой метод обеспечивает возможность простого регулирования температуры плавильной печи, а также уменьшения содержания Si в расплавленном железе.
В установке 100 для производства расплавленного железа, показанной на фиг.1, мелкодисперсный углеродсодержащий материал, который вводится вместе с кислородом, можно получать с помощью следующих процессов. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал получают дроблением угольного сырья, доставляемого из района добычи, и мелкодисперсный углеродсодержащий материал транспортируется к установке для инжектирования кислорода. Затем мелкодисперсный углеродсодержащий материал вводится в угольный слой газогенераторной плавильной печи 20. Инжектирование мелкодисперсного углеродсодержащего материала осуществляется с помощью устройства подачи 10.
Конструкция устройства 10 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала, представленная на фиг.1, используется только для иллюстрации настоящего изобретения, и изобретение не ограничивается только этим примером. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал может подаваться в плавильную печь 20 и с помощью устройств подачи, имеющих другую конструкцию. Ниже представлено подробное описание конструкции устройства 10 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Устройство 10 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала содержит накопительный бункер 101 для угольного сырья, дробилку 102, накопительный бункер 104 для мелкодисперсного углеродсодержащего материала, устройство 110 подачи в режиме компенсации давлений, разделитель 108 и трубопровод 113 для подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Устройство 10 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала может при необходимости включать другие устройства.
Накопительный бункер 101 используется для хранения угольного сырья. Можно установить несколько накопительных бункеров 101 для хранения угольного сырья. В этом случае каждый из накопительных бункеров 101 может использоваться для хранения определенного сорта угля из определенного района добычи.
Дробилка 102, соединенная с накопительным бункером 101 угольного сырья, измельчает угольное сырье, превращая его в мелкодисперсный углеродсодержащий материал. Размер частиц мелкодисперсного углеродсодержащего материала предпочтительно составляет не более 3 мм. Если размер частиц мелкодисперсного углеродсодержащего материала более 3 мм, то существует опасность образования пробок в фурме 202 при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Накопительный бункер 104, соединенный с дробилкой 102, используется для хранения готового к использованию мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Устройство 110 подачи в режиме компенсации давлений обеспечивает подачу необходимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала из накопительного бункера 104 в плавильную печь 20. Устройство 110 подачи содержит емкость 103 накопления под постоянным давлением, емкость 105 выпуска под давлением, запорные клапаны 107 и 109 и устройство подачи необходимого количества материала. Емкости 103 и 105, расположенные вверху и внизу соответственно, регулируют подаваемое количество готового к использованию углеродсодержащего материала посредством запорных клапанов 107 и 109.
С учетом высокого давления в плавильной печи 20 разделитель 108 расположен над верхней частью плавильной печи 20. Благодаря этому можно обеспечить необходимое давление в разделителе 108 для инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь 20 при одновременном регулировании общего количества подаваемого мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Трубопровод 113 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала соединен с устройством 110 подачи в режиме компенсации давлений через разделитель 108 и обеспечивает подачу мелкодисперсного углеродсодержащего материала на фурмы 202.
Можно установить несколько фурм 202 и несколько разделителей 108. Несколько разделителей 108 соединяют соответственно с несколькими фурмами 202, а мелкодисперсный углеродсодержащий материал равномерно подается на каждый разделитель 108 и, соответственно, в фурмы 202. Устройство 110 подачи в режиме компенсации давлений обеспечивает равномерную подачу мелкодисперсного углеродсодержащего материала на разделитель 108.
Так как внутренняя конструкция указанных устройств хорошо известна в данной области техники, их подробное описание не приводится.
В соответствии с настоящим изобретением угольное сырье сортируется и мелкий уголь используется как пылевидный уголь, который вводят (инжектируют) в плавильную печь 20. Указанная вторая форма реализации настоящего изобретения подробно объясняется со ссылкой на фиг.2.
Так как конструкция установки 200 для производства расплавленного железа в соответствии со второй формой реализации настоящего изобретения, представленной на фиг.2, аналогична установке для производства расплавленного железа в соответствии с первой формой реализации настоящего изобретения, ее подробное описание не приводится, а одинаковым элементам присвоены одинаковые цифровые обозначения.
Угольное сырье сортируется на кусковой уголь и мелкий уголь с помощью сортировочного сита (грохота) 111. Угольное сырье, имеющее размер частиц 8 мм и более, сортируется как кусковой уголь, и угольное сырье, имеющее размер частиц менее 8 мм, сортируется как мелкий уголь. Указанный стандарт размера частиц используется только для иллюстрации настоящего изобретения и изобретение не ограничивается только этим примером. Сортировку угольного сырья можно производить с использованием других стандартов размера частиц.
Кусковой уголь контактирует с горячим газом и высушивается в сушильной камере 115. Высушенный кусковой уголь загружается в плавильную печь 20. Сушильная камера 115 высушивает кусковой уголь с использованием рекуперации теплоты плавильной печи 20. Сушка кускового угля может выполняться и другими способами.
Мелкий уголь образуется при вступлении кускового угля в контакт с горячим газом в сушильной камере 115 и затем транспортируется в накопительный бункер 101 угольного сырья через трубопровод 121 транспортировки мелкого угля. Собранный мелкий уголь может вводиться в плавильную печь 20 как пылевидный уголь, т.е. мелкий уголь, отсортированный из угольного сырья, может использоваться как пылевидный уголь. Следовательно, в установке 200 для производства расплавленного железа, помимо угольного сырья, может использоваться отсортированный из угольного сырья мелкий уголь, благодаря чему увеличивается эффективность использования мелкого угля.
Восстановительный газ, образуемый в плавильной печи 20, подается на реактор 52 с уплотненным слоем через трубопровод 70 подачи восстановительного газа. Восстановленные материалы после восстановления в реакторе 52 подаются в плавильную печь 20 и там плавятся.
Установка 300 для производства расплавленного железа в соответствии с третьей формой реализации настоящего изобретения, представленной на фиг.3, содержит оборудование 30 для производства угольных брикетов. Угольные брикеты, произведенные на оборудовании 30, загружаются в плавильную печь 20. Так как другие элементы установки 300 для производства расплавленного железа за исключением оборудования 30 для производства угольных брикетов аналогичны элементам установки 100 для производства расплавленного железа в соответствии с первой формой реализации настоящего изобретения, их подробное описание не приводится, а одинаковым элементам присвоены одинаковые цифровые обозначения.
Установка 300 для производства расплавленного железа обеспечивает подачу мелкого угля в плавильную печь 20 посредством устройства подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала, представленного на фиг.1 и не представленного на фиг.3 из соображений удобства понимания изобретения.
Оборудование 30 для производства угольных брикетов уплотняет мелкий уголь и затем производит угольные брикеты в качестве источника нагрева для плавления восстановленных материалов. Сортирующее устройство 40 разделяет угольное сырье на кусковой уголь, имеющий большой размер частиц, и мелкий уголь с малым размером частиц. Кусковой уголь после сушки в сушильной камере 42 подается напрямую в плавильную печь 20. Мелкий уголь прессуют в угольные брикеты, чтобы обеспечить их необходимую газопроницаемость в плавильной печи 20, и загружают в плавильную печь 20. В данном случае угольное сырье сортируют на кусковой уголь, имеющий размер частиц более 8 мм, и мелкий уголь, имеющий размер частиц не более 8 мм. Указанный стандарт размера частиц используется только для иллюстрации настоящего изобретения и изобретение не ограничивается только этим примером. Сортировку угольного сырья можно производить с использованием других стандартов размера частиц.
Кусковой углеродсодержащий материал, включая кусковой уголь и угольные брикеты, получают за счет прессования мелкого угля. Кусковой углеродсодержащий материал загружают в плавильную печь 20, где образуется уплотненный угольный слой. В данном случае этап приготовления кускового углеродсодержащего материала включает сортировку угольного сырья на кусковой уголь и мелкий уголь и производство угольных брикетов прессованием мелкого угля,
Этап производства угольных брикетов может включать сортировку угольного сырья на кусковой уголь и мелкий уголь, сушку мелкого угля, добавление связующего к мелкому углю и их перемешивание и прессование мелкого угля после добавления связующего и перемешивания и производство угольных брикетов.
Для осуществления указанного процесса оборудование 30 для производства угольных брикетов может содержать сушильную камеру 33, смеситель 37 и пару валков 39. Дополнительно сушильная камера может включать накопительный бункер 31 мелкого угля, накопительный бункер 35 связующего, накопительный бункер 44 угольных брикетов и т.д.
Сушильная камера 33 используется для сушки мелкого угля. Смеситель 37, соединенный с сушильной камерой 33, перемешивает связующее, которое подается из накопительного бункера 35, и высушенный мелкий уголь. Пара валков 39, соединенных со смесителем 37, производит угольные брикеты путем прессования мелкого угля после добавления связующего и перемешивания.
Накопительный бункер 31 используется для временного хранения мелкого угля, а накопительный бункер 35 используется для хранения связующего типа мелассы. Кроме того, накопительный бункер 44 используется для временного хранения произведенных угольных брикетов. При необходимости могут быть включены другие устройства, необходимые для производства угольных брикетов, например пылеуловитель.
В соответствии с настоящим изобретением расплавленное железо можно производить при непосредственном использовании мелкого угольного сырья и мелкодисперсной железной руды. Способ производства расплавленного железа подробно объясняется со ссылкой на фиг.4.
Как показано на фиг.4, расплавленное железо можно производить при непосредственном использовании мелкого угольного сырья и мелкодисперсной железной руды. На фиг.4 представлена установка 400 для производства расплавленного железа в соответствии с четвертой формой реализации настоящего изобретения для осуществления вышеописанного процесса. Конструкция установки 400 для производства расплавленного железа, представленная на фиг.4, используется только для иллюстрации настоящего изобретения, и изобретение не ограничивается только этим примером. Следовательно, данная установка может иметь и другие варианты выполнения с использованием других устройств.
Так как конструкция установки 400 для производства расплавленного железа аналогична конструкции установки для производства расплавленного железа, представленной на фиг.3, ее подробное описание не приводится, а одинаковым элементам присвоены одинаковые цифровые обозначения.
Установка 400 для производства расплавленного железа содержит реактор 50 с псевдоожиженным слоем в качестве восстановительного реактора, оборудование 30 для производства угольных брикетов, газогенераторную плавильную печь 20, устройство 10 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала (показанное на фиг.1) и трубопровод 70 подачи восстановительного газа. Установка 400 для производства расплавленного железа может также включать устройство 60 для производства спрессованного железа, соединенное с реактором 50 с псевдоожиженным слоем и плавильной печью 20. Кроме того, установка 400 для производства расплавленного железа может содержать другие устройства, необходимые для производства расплавленного железа.
Многокаскадные реакторы, в которых образуется псевдоожиженный слой, соединены последовательно друг с другом для восстановления смесей, содержащих железную руду, и превращения их в восстановленные материалы. Восстановительный газ, который выпускается из угольного слоя плавильной печи 20, подается на каждый реактор с псевдоожиженным слоем через трубопровод 70 подачи восстановительного газа. Под воздействием восстановительного газа, поступающего и протекающего через реакторы, происходит восстановление железной руды и добавок, которые проходят через реакторы, и их превращение в восстановленные материалы. Восстановленные материалы могут уплотняться устройством 60 для производства спрессованного железа. Уплотненные восстановленные материалы загружаются в газогенераторную плавильную печь 20 и из них производят расплавленное железо.
Устройство 60 для производства спрессованного железа уплотняет восстановленные материалы и затем производит твердые восстановленные материалы, чтобы обеспечить их необходимую газопроницаемость и предотвратить их выброс наружу. Устройство 60 для производства спрессованного железа содержит загрузочный бункер 62, пару валков 64, дробилку 66 и бункер 68 для хранения восстановленных материалов. Кроме того, устройство 60 для производства спрессованного железа может при необходимости включать другие устройства.
Загрузочный бункер 62 используется для хранения восстановленных материалов, которые восстанавливают из смеси, содержащей железную руду. Пара валков 64 прессует восстановленные материалы и производит твердые восстановленные материалы. Дробилка 66 измельчает восстановленные материалы до необходимого размера частиц. Бункер 68 используется для временного хранения измельченных восстановленных материалов.
Между устройством 60 для производства спрессованного железа и плавильной печью 20 расположено устройство 46, имеющее высокую температуру, создающее равномерное давление. Устройство 46 расположено над плавильной печью 20, чтобы обеспечивать регулирование давления. Хотя давление внутри плавильной печи 20 высокое, дробленые восстановленные материалы могут легко загружаться в плавильную печь 20 благодаря тому, что устройство 46 обеспечивает равномерное регулирование давления.
В установке 500 для производства расплавленного железа в соответствии с пятой формой реализации изобретения, представленной на фиг.5, мелкий уголь, образуемый на этапе производства угольных брикетов, может вводиться в плавильную печь 20. Так как конструкция установки 500 для производства расплавленного железа в соответствии с пятой формой реализации настоящего изобретения аналогична установке для производства расплавленного железа, представленной на фиг.4, ее подробное описание не приводится, а одинаковым элементам присвоены одинаковые цифровые обозначения.
Оборудование 30 для производства угольных брикетов может включать пылеуловитель 32, собирающий пыль, образуемую в сушильной камере 33. Пылеуловитель 32 соединен с устройством 10 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала и подает на него мелкий уголь. Мелкий уголь инжектируется с кислородом в плавильную печь 20 в виде пылевидного угля. Благодаря использованию такого способа обеспечивается рециркуляция угля, что способствует не только уменьшению топливного коэффициента, но также уменьшению потерь угля, вызываемых выбросом пыли.
Устройство подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала установлено около каждой фурмы 202, чтобы вводить указанный материал в установки в соответствии с первым по пятый примерами осуществления настоящего изобретения. Указанное устройство поясняется далее со ссылкой на фиг.6.
Как показано на фиг.6, смесительная камера 203 установлена около фурмы. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал и вспомогательный газ перемешиваются в смесительной камере и подаются на фурму. Трубопровод 115 подачи вспомогательного газа соединен со смесительной камерой 203 и обеспечивает подачу необходимого количества вспомогательного газа. Мелкодисперсный углеродсодержащий материал подается из устройства его подачи через трубопровод 113 инжектирования указанного материала. Инжектирование мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь осуществляется с использованием вспомогательного газа.
При подаче мелкодисперсного углеродсодержащего материала в фурму через трубопровод 113 инжектирования указанного материала последний быстро сгорает. Следовательно, при малой скорости выпускного потока мелкодисперсного углеродсодержащего материала из трубопровода 113 около трубопровода 113 формируется зона горения указанного материала. Тепло, излучаемое зоной горения, может стать причиной плавления и образования пробок в трубопроводе 113.
Для того чтобы предотвратить это явление, из трубопровода 115 подается вспомогательный газ. Благодаря использованию такого способа увеличивается скорость выпускного потока мелкодисперсного углеродсодержащего материала из трубопровода 113. Поэтому зона горения формируется на определенном расстоянии от трубопровода 113. В данном случае предпочтительно, чтобы скорость потока мелкодисперсного углеродсодержащего материала, который выпускается из трубопровода 113, регулировалась в пределах от 40 до 70 м/сек. Если скорость потока мелкодисперсного углеродсодержащего материала менее 40 м/сек, то возникают трудности с инжектированием указанного материала в газогенераторную плавильную печь, давление и диапазон изменения давлений в которой выше, чем аналогичные параметры доменной печи. К тому же, если скорость потока мелкодисперсного углеродсодержащего материала более 70 м/сек, то существует вероятность ухудшения способности этого материала к сгоранию.
В качестве вспомогательного газа может использоваться горючий газ. Горючий газ может содержать углеводород, водород и угарный газ. Может использоваться, например, сжиженный природный газ, коксовый газ и т.п. Кроме того, может использоваться также газ, выпускаемый из установки для производства расплавленного железа в соответствии с формами реализации изобретения с первой по пятую, из которого частично извлекаются СО2 и Н2O.
При инжектировании горючего газа вместе с кислородом через фурму происходит реакция горения в соответствии со следующей химической формулой 2:
В данном случае образующиеся CO2+H2O реагируют с измельченным углеродсодержащим материалом и элементами углерода в угольном слое, образованном около фурмы. Благодаря этому может использоваться дополнительный восстановительный газ, образуемый в фурме при подаче горючего газа. Кроме того, тепло, образуемое преобладающим горением восстановительного газа, ускоряет подъем температуры мелкодисперсного углеродсодержащего материала и, следовательно, уменьшает время, необходимое для достижения температуры горения этого материала.
Температура зоны горения может быть снижена путем увеличения температуры горючего газа и за счет тепла от пиролиза углеводорода, содержащегося в горючем газе, а образующееся количество горючего газа может быть увеличено. Благодаря этому появляется возможность равномерного регулирования распределения тепла вокруг фурмы в более широком диапазоне.
Угол α, образованный между трубопроводом 115 подачи вспомогательного газа и трубопроводом 113 подачи мелкодисперсного углеродсодержащего материала находится предпочтительно в пределах от 30 до 90°. Если угол α менее 30°, горение может быть затруднено, так как скорость потока слишком высока из-за вспомогательного газа. И наоборот, если угол α более 90°, то затрудняется ускорение мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Подробное пояснение настоящего изобретения дается со ссылкой на прилагаемые примеры, являющиеся результатами экспериментов. Данные экспериментальные примеры используются только для иллюстрации настоящего изобретения и изобретение не ограничивается только этими примерами.
Экспериментальные примеры
Эксперименты проводились с использованием установки, имеющей такую же конструкцию, что и установка для производства расплавленного железа в соответствии с четвертой формой реализации настоящего изобретения, представленной на фиг.4. Цель - проследить изменение степени окисления восстановительного газа при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь и изменение температуры горения в плавильной печи.
Кислород при 25°С и в количестве 380 Нм3/т (а именно, 380 Нм3 кислорода на 1 тонну расплавленного железа) инжектировался в газогенераторную плавильную печь. Количество мелкодисперсного углеродсодержащего материала регулировалось устройством его подачи. Результаты технического и элементного анализа мелкодисперсного углеродсодержащего материала, использованного в экспериментальных примерах, приводятся соответственно в таблице 1 и таблице 2.
В экспериментальном примере 1 восстанавливающее количество газа СН4 было измерено в соответствии с инжектируемым количеством мелкодисперсного углеродсодержащего материала путем введения указанного материала. В экспериментальном примере 2 были выполнены измерения степени окисления восстановительного газа СН4 в газогенераторной плавильной печи. В экспериментальном примере 3 были выполнены измерения степени окисления восстановленных материалов, которые восстанавливаются восстановительным газом, в соответствии с изменением степени окисления восстановительного газа. И, наконец, в экспериментальном примере 4 были выполнены измерения изменений температуры горения в газогенераторной плавильной печи в соответствии с изменениями вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Далее приводится подробное описание экспериментальных примеров с 1 по 4.
Экспериментальный пример 1
Для того чтобы определить восстанавливающее количество газа CH4 в соответствии с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала в плавильную печь, указанное количество газа CH4 в плавильной печи измерялось при каждом увеличении вводимого количества указанного материала на 50 кг/т. Количество газа СН4, которое составляло 4,5 об.%, до инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала постепенно уменьшалось с увеличением вводимого количества указанного материала. В таблице 3 показано восстанавливающее количество газа СН4 в плавильной печи в соответствии с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала. В данном случае восстанавливающее количество газа CH4 - это величина, которую получают вычитанием количества газа CH4 в момент измерений из 4,5 об.%, что является исходным количеством газа CH4.
Данные таблицы 3 показаны в виде диаграммы на фиг.7. На фиг.7 вводимое количество мелкодисперсного углеродсодержащего материала показано на оси х, а восстанавливающее количество газа CH4 в плавильной печи показано на оси y. Как показано на фиг.7, между инжектируемым количеством мелкодисперсного углеродсодержащего материала и восстанавливающим количеством газа CH4 существует линейная зависимость. А именно количество газа CH4 в плавильной печи постоянно уменьшается с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Как показано на фиг.7, вводимое количество мелкодисперсного углеродсодержащего материала (х) и восстанавливающее количество газа СН4 в плавильной печи (у) практически удовлетворяют следующей формуле 1, т.е. они удовлетворяют условию, аналогичному формуле 1 или сходному с ней.
В данном случае х измеряется в кг/т, y измеряется в % и 0,0001 имеет размерность % кг/т.
В соответствии с примером 1 можно сделать вывод, что количество газа СН4 в газогенераторной плавильной печи 20 обладает способностью линейно уменьшаться при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в указанную плавильную печь.
Экспериментальный пример 2
В экспериментальном примере 2 были выполнены измерения степени окисления восстановительного газа в соответствии с восстанавливающим количеством газа СН4 в газогенераторной плавильной печи. Измерения степени окисления выполнялись спектроскопом, через который можно наблюдать линейный спектр. Подробное объяснение измерений степени окисления не приводится, т.к. оно хорошо известно в данной области техники.
Степень окисления восстановительного газа измерялась 67 раз в соответствии с изменениями количества газа СН4 в плавильной печи. Результаты измерений представлены в таблице 4.
Как показано в таблице 4, степень окисления восстановительного газа уменьшалась и составляла не более 11,432%. А именно на восстановительные реакторы подавался восстановительный газ, степень окисления которого находилась в пределах от 0 до не более 11,432%. Следовательно, количество газа СН4 при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала уменьшалось, в связи с чем степень окисления восстановительного газа также уменьшалась и составляла максимально 11,432%.
Данные таблицы 4 представлены в виде диаграммы на фиг.8. Как показано на фиг.8, наблюдаемая степень окисления восстановительного газа увеличивалась с увеличением количества газа CH4 в плавильной печи, т.е. восстанавливающая способность восстановительного газа увеличивалась. Чтобы составить соотношение между количеством газа СН4 в газогенераторной плавильной печи и степенью окисления восстановительного газа, выполнялся расчет линейной функции с использованием метода наименьших квадратов,. Так как способ наименьших квадратов хорошо известен, его подробное описание не приводится. Если х обозначает количество газа СН4 в плавильной печи, а y обозначает степень окисления восстановительного газа в указанной печи, то можно сделать вывод, что полностью удовлетворяется следующая формула 2, т.е. количество газа СН4 и степень окисления восстановительного газа удовлетворяют условию, аналогичному формуле 2 или сходному с ней.
В данном случае х измеряется в об.%, y измеряется в % и 1,6653 имеет размерность %/об.%.
Кроме того, были исследованы данные, которые расположены на прямых линиях, имеющих такой же наклон, как и линии формулы 2, и которые удалены от прямой линии формулы 2, чтобы установить прямые линии, проходящие через данные, соответствующие верхнему и нижнему пределам данных таблицы 4.
Было установлено, что 2,215 об.% газа CH4 и 2,307% степени окисления, приведенные в таблице 4 под №2, соответствуют нижнему пределу, а 4,107 об.% газа CH4 и 10,311% степени окисления восстановительного газа, представленные в таблице 4 под №51, соответствуют верхнему пределу.
Следовательно, ряд прямых линий, которые проходят над верхним и нижним пределами и имеют такой же наклон, как и прямая линия формулы 2, можно представить в виде формулы 3. Это означает, что количество газа СН4 в плавильной печи (х) и степень окисления восстановительного газа (у) полностью удовлетворяют нижеследующей формуле 3, т.е. количество газа СН4 и степень окисления восстановительного газа удовлетворяют условию, аналогичному формуле 3 или сходному с ней.
В данном случае х измеряется в об.%, y измеряется в % и 1,3824 имеет размерность % /об.%.
В соответствии с формулой 3 изменения степени окисления восстановительного газа с уменьшением количества газа CH4 показаны на фиг.8 как отклоняющиеся линии с перегибом. Как указано выше, можно сделать вывод о том, что окисление восстановительного газа пропорционально уменьшается с уменьшением количества СН4 в соответствии с примером 2. Следовательно, можно утверждать, что степень окисления восстановительного газа можно уменьшить при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала.
Экспериментальный пример 3
В экспериментальном примере 3 строилась диаграмма изменения степени восстановления материалов в соответствии со степенью окисления восстановительного газа. А именно измеряли и строили диаграмму степени окисления восстановительного газа в плавильной печи и степени восстановления материалов, восстанавливаемых в восстановительных реакторах, в которые подавался восстановительный газ. Измерения степени окисления восстановительного газа выполнялись способом, описанным в экспериментальном примере 2. Степень восстановления материалов измерялась при сравнении смеси, содержащей железную руду, до прохождения через реакторы с указанной смесью после ее прохождения через реакторы. Так как измерения степени окисления восстановленных материалов и степени восстановления указанных материалов хорошо известны в данной области техники, их подробное описание не приводится.
На фиг.9 степень окисления восстановительного газа в плавильной печи отложена по оси х, а степень восстановления материалов отложена по оси y.
Соотношение между степенью окисления восстановительного газа и степенью восстановления материалов, показанное точками на фиг.9, было преобразовано в прямую линию с помощью метода наименьших квадратов и затем получен результат следующей формулы 4. Степень окисления восстановительного газа (х) и степень восстановления материалов (y) полностью удовлетворяют условию, аналогичному следующей формуле 4 или сходному с ней.
В данном случае х измеряется в %, y измеряется в % и 103,9 имеет размерность %.
Как видно из формулы 4, степень восстановления материалов уменьшается с увеличением степени окисления восстановительного газа. Соответственно, уменьшается время, необходимое для полного восстановления указанных материалов в плавильной печи, и увеличивается производительность процесса.
Так как мелкодисперсный углеродсодержащий материал вводится в центральную часть плавильной печи в режиме высоких температур, указанные материалы полностью сгорают и летучие вещества, содержащиеся в них, преобразуются в газ СО или газ Н2. Благодаря этому уменьшается количество газа СН4 в плавильной печи, вызываемое неполным сгоранием. Кроме того, вследствие уменьшения количества газа СН4 и увеличения газа СО или газа Н2 увеличивается количество восстановительного газа, образуемого в плавильной печи и подаваемого на восстановительные реакторы, что в свою очередь увеличивает степень окисления восстановительного газа. Восстановительный газ, имеющий улучшенную степень окисления, подается в восстановительные реакторы, улучшая степень восстановления материалов, проходящих через восстановительные реакторы. Поскольку в плавильную печь подаются восстановленные материалы улучшенной степени восстановления, то восстановленное расплавленное железо в конечном итоге можно получать даже при загрузке в печь небольшого количества кускового углеродсодержащего материала. Это означает, что при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала количество кускового углеродсодержащего материала, загружаемого в плавильную печь, значительно уменьшается, в связи с чем значительно уменьшается топливный коэффициент.
Экспериментальный пример 4
В экспериментальном примере 4 выполнялись измерения изменения температуры зоны горения в плавильной печи при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Предполагая, что горение происходило в адиабатическом состоянии и вне зоны зоны горения нет потерь тепла, температуру горения в зоне горения измеряли каждый раз, когда вводимое количество мелкодисперсного углеродсодержащего материала увеличивалось на 50 кг на 1 тонну расплавленного железа. Температуру зоны горения измеряли с помощью термопары, установленной в плавильной печи; результаты измерений представлены в Таблице 5.
Данные таблицы 5 позволяют сделать вывод о том, что температура горения уменьшается на 200° с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала на 50 кг на 1 т расплавленного железа, т.е. температура горения уменьшается почти на 200°.
Из экспериментального примера 4 можно сделать вывод о том, что температура горения в газогенераторной плавильной печи может значительно уменьшаться с увеличением вводимого количества мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Благодаря этому можно не только обеспечить плавное регулирование нагрева в газогенераторной плавильной печи, но и уменьшить содержание Si в жидком металле, имеющее вредное воздействие на характеристики расплавленного железа. Кроме того, инжектирование мелкодисперсного углеродсодержащего материала может заменить добавление влаги через фурму для регулирования температуры печи.
На фиг.10 показано изменение топливного коэффициента и производительности при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала. На фиг.10 показано изменение топливного коэффициента и производительности до инжектирования пылевидного угля, при инжектировании 50˜80 кг/т мелкодисперсного углеродсодержащего материала и при инжектировании 80˜120 кг/т мелкодисперсного углеродсодержащего материала. Если предположить, что производится одинаковое количество расплавленного железа, то можно сделать вывод о значительном уменьшении топливного коэффициента при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала. А именно топливный коэффициент уменьшается на 30 кг на 1 т расплавленного железа при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в количестве 100 кг на 1 т расплавленного железа.
При инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала в указанных количествах происходит увеличение количества восстановительного газа в плавильной печи, так как летучие вещества, содержащиеся в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, полностью сгорают. Вследствие увеличения количества восстановительного газа, подаваемого на восстановительные реакторы, может быть увеличена степень восстановления материалов, пропускаемых через восстановительные реакторы. Благодаря этому может быть уменьшено количество кускового углеродсодержащего материала, загружаемого в плавильную печь для окончательного восстановления, т.е. существует возможность уменьшения топливного коэффициента.
Поскольку мелкодисперсный углеродсодержащий материал вводится с кислородом через фурму плавильной печи, это позволяет обеспечить регулирование температуры горения в плавильной печи, плавное регулирование нагрева печи и стабильное состояние угольного слоя.
Кроме того, при инжектировании мелкодисперсного углеродсодержащего материала увеличивается период стагнации материалов, загружаемых в плавильную печь, и за счет этого увеличивается температура купольной части. Благодаря этому может быть уменьшено количество кислорода, подаваемое пылеугольной горелкой, установленной в плавильной печи. Следовательно, в результате уменьшения повторного окисления восстановительного газа улучшаются восстановительные характеристики восстановительного газа.
Хотя настоящее изобретение описано и проиллюстрировано ссылками на приведенные примеры его осуществления, не исключается возможность различных его модификаций, не противоречащих сущности и объему изобретения, определяемым прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к установке для производства расплавленного железа посредством инжектирования мелкодисперсного углеродсодержащего материала в газогенераторную плавильную печь и к способу производства расплавленного железа с использованием такой установки, обеспечивая уменьшение расхода топлива, получение восстановительного газа, имеющего улучшенную восстановительную способность, более эффективно использовать теплоту сгорания угля. Способ предусматривает восстановление смесей, содержащих железную руду, в восстановительном реакторе, загрузку кускового углеродсодержащего материала в купольную верхнюю часть газогенераторной плавильной печи и образование уплотненного угольного слоя, инжектирование кислорода и мелкодисперсного углеродсодержащего материала в угольный слой через фурму, установленную в газогенераторной плавильной печи, загрузку восстановленных материалов в газогенераторную плавильную печь, соединенную с восстановительным реактором, производство расплавленного железа и подачу восстановительного газа, состоящего из летучих веществ, содержащихся как в кусковом углеродсодержащем материале, так и в мелкодисперсном углеродсодержащем материале, из плавильной печи в восстановительный реактор. 2 н. и 44 з.п. ф-лы, 10 ил., 5 табл.
