Способ получения жидкого чугуна или жидких стальных полупродуктов и установка для его осуществления - RU2125613C1
Код документа: RU2125613C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу получения жидкого чугуна или жидких стальных полупродуктов из содержащего оксид железа материала в форме частиц в псевдоожиженном слое, причем материал, содержащий оксид железа, предварительно восстанавливают с помощью восстановительного газа на по меньшей мере одной стадии предварительного восстановления и затем восстанавливают до губчатого железа на стадии окончательного восстановления, губчатое железо расплавляют в плавильно-газификационной зоне с подводом носителей углерода и кислородсодержащего газа и получают восстановительный газ, содержащий CO и H2, который подводят на стадию окончательного восстановления, там подвергают превращению, отводят, затем подают на по меньшей мере одну стадию предварительного восстановления, там подвергают превращению, отводят, промывают и в заключение отводят как газ, готовый к использованию, и причем по меньшей мере часть прореагировавшего газа очищают от CO2, нагревают и применяют в качестве рециркуляционного восстановительного газа для восстановления материала, содержащего оксид железа, а также к установке для осуществления этого способа.
Способ такого типа известен из заявки США US-A-5, 185032. При этом восстановительный газ для максимально возможного использования восстановительного потенциала и тепловой энергии восстановительного газа пропускают через все стадии восстановления и через стадии предварительного нагрева, расположенные перед ними, если смотреть в направлении прохождения материала, содержащего оксид, отводят в виде колошникового газа от первой стадии предварительного нагрева и затем промывают. Часть колошникового газа сжимают, подвергают очистке от CO2 и после этого нагревают. Колошниковый газ, нагретый таким образом и очищенный в значительной мере от CO2, снова подводят в процесс восстановления в качестве рециркуляционного восстановительного газа, благодаря чему можно использовать восстановители, еще имеющиеся в колошниковом газе. Однако недостатком является то, что все стадии восстановления в псевдоожиженном слое, а также все стадии предварительного нагрева должны рассчитываться для работы с общим количеством газа, то есть свежего восстановительного газа и рециркуляционного восстановительного газа.
При восстановлении оксидов железа способом с псевдоожиженным слоем посредством смесей CO/CO2 при более высоких температурах (например, свыше 700oC) и низком восстановительном потенциале (то есть при повышенном содержании в восстановительном газе CO2 и H2O), на поверхности мелких частиц руды образуются игольчатые осаждения железа. Эти осаждения являются причиной феномена "слипания" в псевдоожиженных слоях. При очень высокой восстановительной способности происходит слипание частиц руды, отрицательно влияющее на процесс восстановления. Если же восстановление проходит при очень высоком или наивысшем потенциале восстановительного газа, происходит выделение железа в виде плотных или пористых образований, при которых "слипания" не наблюдается.
Целью изобретения является исключение этих недостатков и трудностей, задачей изобретения является создание способа и установки для осуществления способа, которые обеспечивают восстановление без возникновения "слипания", а именно за счет повышения восстановительного потенциала восстановительного газа, причем без повышения количества углеродоносителей, применяемых для получения восстановительного газа; более того, по сравнению с уровнем техники обеспечивается экономия углеродоносителей.
Эта задача согласно изобретению решается за счет того, что от восстановительного газа, протекающего от стадии окончательного восстановления к стадии предварительного восстановления, отводят часть его, очищают от CO2, а также нагревают и в заключение направляют на стадию окончательного восстановления.
Хотя с помощью способа согласно изобретению отказываются от использования возможно еще
имеющегося восстановительного потенциала в восстановительном газе, который выходит из стадии окончательного восстановления и отводится по ответвленному трубопроводу, для следующих стадий
восстановления или возможно имеющихся стадий предварительного нагрева, однако именно здесь получаются существенные преимущества:
согласно изобретению обеспечивается высокий восстановительный
потенциал за счет повышения количества восстановительного газа, причем для постадийно протекающего процесса восстановления имеется повышенное количество восстановительного газа только для стадии
окончательного восстановления. Поэтому на стадии окончательного восстановления, на которой температура является наиболее высокой, а опасность возникновения "слипания" - наибольшей, "слипание" надежно
предотвращается, причем дополнительно можно исключить необходимость того, чтобы все узлы установки, то есть все газопроводы, реакторы, компрессоры и так далее, возможно имеющиеся стадии
предварительного нагрева, а также стадии восстановления с псевдоожиженным слоем, были рассчитаны на работу с повышенным количеством восстановительного газа.
Тем самым изобретение позволяет целенаправленно использовать высокий восстановительный потенциал и позволяет снабжать все остальные стадии восстановления теоретически минимальным количеством восстановительного газа и поэтому выполнять их соответственно в меньших размерах с меньшими расходами.
Благодаря этому получаются не только оптимальные, а именно при максимально возможной производительности - минимально возможные габариты всех узлов установки, а также имеется возможность в процессе обойтись минимально возможным количеством углеродоносителей, необходимых для получения восстановительного газа, т.е. уменьшить до минимума расход углерода при надежном исключении опасности "слипания". Кроме того, удается применить уголь с высоким содержанием Cfix и низким содержанием золы в плавильно-газификационной зоне, хотя этот уголь образует лишь недостаточно восстановительного газа, и обеспечить, несмотря на это, нормальный тепловой баланс, то есть ввод лишь небольшого количества воды в плавильно-газификационную зону с целью повышения количества восстановительного газа.
Так как для последней стадии восстановления в распоряжении имеется очень высокий восстановительный потенциал, можно осуществить нагрев части восстановительного газа, отобранного на стадии окончательного восстановления, отведенного по ответвленному трубопроводу и возвращенного на эту стадию, до температуры восстановления в диапазоне от 800 до 900oC, например до температуры около 850oC.
Нагрев отобранного и отведенного по ответвленному трубопроводу со стадии окончательного восстановления восстановительного газа до температуры восстановления целесообразно осуществлять рекуперативно и/или регенеративно, и/или путем частичного сжигания отобранной части восстановительного газа.
Возврат нагретого восстановительного газа целесообразно осуществлять при смешивании с горячим восстановительным газом, выходящим из плавильно-газификационной зоны после обеспыливания этого горячего восстановительного газа.
Для охлаждения восстановительного газа, выходящего из плавильного газификатора, до температуры восстановления является целесообразной рециркуляция в холодном состоянии части восстановительного газа, очищенного от CO2, предпочтительно в смеси с горячим восстановительным газом, отходящим из плавильно-газификационной зоны, перед вводом последнего на стадию окончательного восстановления.
С целью упрощения регулирования температуры на стадии окончательного восстановления, является предпочтительным промыть часть горячего восстановительного газа, выходящего из плавильно-газификационной зоны, и затем смешать в холодном состоянии с горячим восстановительным газом, выходящим из плавильно-газификационной зоны, предпочтительно путем смешивания с восстановительным газом, очищенным от CO2 и возвращенным в холодном состоянии.
Другая возможность регулирования температуры в зонах восстановления с псевдоожиженным слоем заключается в том, что перед стадией предварительного восстановления расположена по меньшей мере одна стадия предварительного нагрева материала, содержащего оксид железа, а прореагировавший восстановительный газ, выходящий со стадии предварительного восстановления, применяется для предварительного нагрева материала, содержащего оксид железа, предпочтительно после отвода части прореагировавшего газа.
Для адаптации температуры предварительного нагрева материала, содержащего оксид железа, к требованиям процесса, то есть оптимизации температуры в зонах восстановления с псевдоожиженным слоем, является целесообразным подвергнуть прореагировавший восстановительный газ, примененный для предварительного нагрева, частичному сжиганию.
Установка для осуществления способа, содержащая по меньшей мере два последовательно включенных реактора с псевдоожиженным слоем, причем материал, содержащий оксид железа, проходит от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем по транспортным трубопроводам в одном направлении, а восстановительный газ пропускают по соединительным трубопроводам от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем по соединительным трубопроводам для восстановительного газа в противоположном направлении, и плавильный газификатор, в который входит трубопровод, подающий продукт восстановления из реактора с псевдоожиженным слоем, расположенного последним в направлении прохождения материала, содержащего оксид железа, и трубопроводы для подвода кислородсодержащего газа и углеродоносителей, а также выпускное отверстие для чугуна или стальных полупродуктов и шлака, а также трубопровод для подачи восстановительного газа, входящий в реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный последним в направлении прохождения материала, содержащего оксид железа, и подающий восстановительный газ, образующийся в плавильном газификаторе, отличается тем, что от соединительного трубопровода для восстановительного газа, соединяющего реактор с псевдоожиженным слоем, расположенный последним в направлении прохождения материала, содержащего оксид железа, с реактором с псевдоожиженным слоем, расположенным перед ним, отходит ответвленный трубопровод, сообщенный через скруббер, устройство для очистки от CO2 и газонагреватель с трубопроводом для восстановительного газа.
Предпочтительная форма выполнения отличается тем, что газонагреватель может шунтироваться байпасным трубопроводом для восстановительного газа.
При этом является целесообразным предусмотреть в трубопроводе для подвода восстановительного газа устройство для обеспыливания восстановительного газа, а ответвленный трубопровод соединить с трубопроводом для подвода восстановительного газа между устройством для обеспыливания восстановительного газа и реактором с псевдоожиженным слоем.
Другая предпочтительная форма выполнения отличается тем, что от трубопровода для подвода восстановительного газа трубопровод для возврата восстановительного газа соединен через скруббер, компрессор снова с трубопроводом для восстановительного газа, но в направлении протекания потока, перед ответвлением трубопровода для возврата восстановительного газа, в частности перед местом расположения обеспыливающего устройства в трубопроводе для подвода восстановительного газа.
Является предпочтительным включить перед первым в направлении прохождения материала, содержащего оксид железа, восстановительным реактором с псевдоожиженным слоем по меньшей мере один подогревающий реактор с псевдоожиженным слоем, в который входит трубопровод для отвода восстановительного газа из первого по направлению прохождения материала, содержащего оксид железа, реактора с псевдоожиженным слоем, причем, кроме того, целесообразно, чтобы в подогревающий реактор с псевдоожиженным слоем входил трубопровод, подводящий кислородсодержащий газ или кислород.
Ниже изобретение поясняется более подробно с помощью двух примеров выполнения, представленных на чертеже, причем на фиг. 1 и 2 схематически показана каждая предпочтительная форма выполнения.
Установка согласно изобретению имеет три реактора 1 - 3 с псевдоожиженным слоем, последовательно подключенных друг за другом, причем материал, содержащий оксид железа, например рудная мелочь, подается через трубопровод 4 в первый реактор 1 с псевдоожиженным слоем, в котором на первой стадии 5 подогрева осуществляется предварительный нагрев рудной мелочи и возможно предварительное восстановление, и поступает затем по транспортным трубопроводам 6 из реактора 1 с псевдоожиженным слоем к реакторам 2, 3 с псевдоожиженным слоем. В реакторе 2 с псевдоожиженным слоем на стадии 7 предварительного восстановления осуществляется предварительное восстановление, а в реакторе 3 с псевдоожиженным слоем на стадии 8 окончательного восстановления осуществляется окончательное восстановление рудной мелочи в губчатое железо.
Окончательно восстановленный материал, то есть губчатое железо, по транспортному трубопроводу 9 поступает в плавильный газификатор 10. В плавильном газификаторе 10, в плавильно-газификационной зоне 11 из угля и кислородсодержащего газа получается восстановительный газ, содержащий CO и H2, который направляется по трубопроводу 12 для подвода восстановительного газа в реактор 3 с псевдоожиженным слоем, расположенный последним в направлении прохождения рудной мелочи. Затем восстановительный газ подается в противотоке к прохождению руды от реактора 3 с псевдоожиженным слоем к реакторам 2 и 1 с псевдоожиженным слоем, а именно через соединительные трубопроводы 13, из реактора 1 с псевдоожиженным слоем отводится в качестве колошникового газа по трубопроводу 14 и затем охлаждается и промывается в скруббере 15 мокрой очистки.
Плавильный газификатор 10 имеет трубопровод для подвода твердых углеродоносителей, трубопровод 17 для подвода кислородсодержащего газа, а также в случае необходимости трубопроводы для жидких и газообразных - при комнатной температуре - углеродоносителей, например углеводородов, а также для сгоревших присадок. В плавильном газификаторе 10 под плавильно-газификационной зоной 11 собирается расплавленный чугун или расплавленный стальной полуфабрикат и расплавленный шлак, которые сливаются через отверстие 18.
В трубопроводе 12 для подвода восстановительного газа, который отходит от плавильного газификатора 10 и входит в реактор 3 с псевдоожиженным слоем, имеется обеспыливающее устройство 19, например горячий газовый циклон, причем частицы пыли, осаждающиеся в этом циклоне, подводятся в плавильный газификатор 10 по трубопроводу 20 с азотом в качестве транспортирующего средства и подаются через горелку 33 ниже вдувания кислорода.
От соединительного трубопровода 13 для восстановительного газа, соединяющего реактор 3 с псевдоожиженным слоем с реактором 2 с псевдоожиженным слоем, отходит ответвленный трубопровод 21, через который отводится часть восстановительного газа, прореагировавшего в реакторе 3 с псевдоожиженным слоем. Этот ответвленный трубопровод 21 входит в скруббер 22 и ведет от скруббера через компрессор 23 к устройству 24 для очистки от CO2. Оно может быть выполнено в качестве адсорбционного устройства с переменным давлением или скруббера CO2. От устройства 24 для очистки от CO2 ответвленный трубопровод 21 ведет к газонагревателю 25 и наконец входит в трубопровод 12 для подвода восстановительного газа, а именно предпочтительно между горячим циклоном 19 и реактором 3 с псевдоожиженным слоем.
Благодаря этому удается очистить часть восстановительного газа, прореагировавшего в реакторе 3 с псевдоожиженным слоем, от CO2, так что он снова - после нагрева до температуры восстановительного газа, предпочтительно до температуры между 800o C и 900oC - имеется в распоряжении в качестве восстановительного газа, имеющего высокий восстановительный потенциал. За счет этого стадия 8 окончательного восстановления снабжается особенно большим количеством восстановительного газа, так что, несмотря на сравнительно высокую температуру, на стадии 8 окончательного восстановления вследствие большого количества имеющихся восстановителей не существует опасности возникновения "слипания".
Нагрев части восстановительного газа, отведенного по ответвленному трубопроводу 21, осуществляется регенеративно, рекуперативно или путем частичного сжигания этого газа, причем эти способы нагрева могут применяться по отдельности или в комбинации по два или по три.
В реактор 2 с псевдоожиженным слоем, в котором происходит предварительное восстановление рудной мелочи, поступает значительно меньшее количество восстановительного газа, который имеет к тому же незначительный восстановительный потенциал, что однако является вполне достаточным для предварительного восстановления. Так как достигаемая степень восстановления обрабатываемого материала здесь ниже, чем на стадии 8 окончательного восстановления, "слипания" здесь не происходит. Выбор габаритов этого реактора 2 с псевдоожиженным слоем и его газоподводящих и газоотводящих трубопроводов 13 и так далее осуществляется с учетом меньшего количества восстановительного газа, который пропускается через этот реактор 2 с псевдоожиженным слоем. Прореагировавший восстановительный газ, выходящий из этого реактора 2 с псевдоожиженным слоем, подводится по трубопроводу 13 в скруббер 26. Часть промытого прореагировавшего восстановительного газа отводится через трубопровод 27 в качестве газа, готового к использованию; другая часть по трубопроводу 13 подводится к стадии 5 предварительного нагрева, то есть к реактору 1 с псевдоожиженным слоем.
Газонагреватель 25 предпочтительно может шунтироваться байпасным трубопроводом 28 для части возвращаемого восстановительного газа, причем байпасный трубопровод 28 входит в трубопровод 12 для подвода восстановительного газа, который соединяет плавильный газификатор 10 с реактором 3 с псевдоожиженным слоем. Холодный рециркуляционный восстановительный газ может тем самым смешиваться через этот байпасный трубопровод 28 с горячим восстановительным газом, выходящим из плавильного газификатора 10, причем желаемая температура восстановления может устанавливаться простым образом, путем управления количеством или регулированием количества.
Другая возможность регулирования температуры восстановительного газа создается путем предпочтительно предусмотренного возвратного газопровода 29, отходящего от трубопровода 12 для подачи восстановительного газа и возвращающего снова в этот трубопровод 12 для подачи восстановительного газа часть восстановительного газа через скруббер 30 и компрессор 31, а именно перед горячим циклоном 19.
Согласно варианту способа и соотв. установки, представленному на фиг. 1, часть прореагировавшего восстановительного газа отводится после каждого реактора 1 - 3 с псевдоожиженным слоем, вследствие чего к каждому реактору 1 - 3 с псевдоожиженным слоем подводится только то количество газа, которое необходимо для безукоризненного функционирования соответствующего реактора с псевдоожиженным слоем.
Согласно варианту способа, показанному на фиг. 2, весь прореагировавший восстановительный газ, выходящий из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, применяется на стадии 5 предварительного нагрева. При этом все ощутимое тепло прореагировавшего восстановительного газа, выходящего из реактора 2 с псевдоожиженным слоем, используется для предварительного нагрева рудной мелочи.
Для регулирования температуры предварительного нагрева рудной мелочи можно подводить на стадию 5 предварительного нагрева, то есть к реактору 1 с псевдоожиженным слоем по трубопроводу 32 кислородсодержащий газ, например воздух или кислород, благодаря чему происходит частичное сжигание прореагировавшего восстановительного газа, подведенного на стадию 5 предварительного нагрева. За счет регулирования частичного сжигания устанавливается такая температура рудной мелочи при предварительном нагреве, чтобы были оптимизированы температуры на последующих стадиях 7, 8 восстановления.
Изобретение не ограничивается примерами выполнения, представленными на чертежах, и может видоизменяться в различных направлениях. Например, является возможным выбирать количество реакторов с псевдоожиженным слоем по потребности.
Пример.
В установке согласно фиг. 1 для получения чугуна 40 т/час в плавильный газификатор 10 загрузили уголь 31,4 т/час с химическим составом, приведенным в таблице I, и газифицировали с кислородом в количестве 31240 Hм3/час.
В установку загрузили руду в количестве 58,6 т/час, с химическим составом, приведенным в таблице II, и загрузили присадки в количестве 8,6 и/час согласно таблице III. Чугун, полученный в установке, имеет химический состав, приведенный в таблице IV.
В плавильном газификаторе 10 получили восстановительный газ в количестве 63440 Нм3/час с температурой 870oC. Он имеет химический состав, приведенный в таблице V. Этот восстановительный газ смешали с рециркуляционным газом, который подводится через ответвленный трубопровод 21, а именно в количестве, около 68000 Нм3/час при температуре после нагрева в газонагревателе 25, равной 870oC, в результате чего получили восстановительный газ для стадии 8 окончательного восстановления в количестве 116760 Нм3/час при температуре 870oC. Этот восстановительный газ имеет химический состав, приведенный в таблице VI.
От частично прореагировавшего восстановительного газа, выделяющегося на стадии 8 окончательного восстановления, отвели часть, а именно в количестве около 68000 Нм3/час с химическим составом, приведенным в таблице VII, и подали через ответвленный трубопровод 21 в скруббер 24 для промывки от CO2. По трубопроводам 27 и 14 отвели газ, готовый к использованию, в количестве 47720 Нм2/час. Его химический состав приведен в таблице VIII.
Реферат
Сущность: в способе получения жидкого чугуна или жидких стальных полупродуктов из содержащего оксид железа материала в форме частиц его предварительно восстанавливают в псевдоожиженном слое с помощью восстановительного газа в по меньшей мере одной стадии предварительного восстановления, а затем восстанавливают до губчатого железа на стадии окончательного восстановления. Полученное губчатое железо расплавляют в плавильно-газификационной зоне подводом носителей углерода и кислородсодержащего газа, в котором одновременно получают восстановительный газ, содержащий CO и H2, который подводят на стадию окончательного восстановления, там подвергают превращению, отводят, затем подают на по меньшей мере одну стадию предварительного восстановления, там подвергают превращению, отводят, промывают и в заключение отводят как газ, готовый к использованию. При этом по меньшей мере часть прореагировавшего газа очищают от CO2, нагревают и применяют в качестве рециркуляционного восстановительного газа для восстановления материала, содержащего оксид железа. Для того, чтобы восстановление прошло без "слипания", часть восстановительного газа, протекающего из стадии окончательного восстановления, отводят на стадию предварительного восстановления, промывают, очищают от CO2, а также нагревают и затем возвращают на стадию окончательного восстановления. Установка содержит по крайней мере два реактора для предварительного восстановления и плавильный газификатор, соединенные между собой транспортными и соединительными трубопроводами. От соединительного газового трубопровода отходит ответвленный трубопровод со скруббером, устройством для очистки от CO2 и газонагревателем, который соединен с трубопроводом восстановительного газа и плавильного газификатора. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил, 8 табл.
