Код документа: RU2078143C1
Изобретение относится к области бескоксового получения железа в установках с псевдоожиженным слоем с использованием конвертированного газа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, известный из патента США A-5 082251, в котором обогащенную железом мелкую руду восстанавливают в системе из последовательно расположенных реакторов с псевдоожиженным слоем с помощью восстановительного газа при повышенном давлении. Таким образом полученный порошок железа затем подвергают горячему или холодному брикетированию.
Восстановительный газ получают путем каталитической конверсии обессеренного и предварительно подогретого природного газа с
перегретым водяным паром. Затем газ охлаждают примерно до 425oC в теплообменнике. После этого путем CO-конверсии с помощью катализатора на основе оксида железа в восстановительном газе
повышают долю водорода согласно следующему уравнению:
H2O + CO CO2 + H2
Затем образующиеся газы очищают в скруббере для CO2, так что
восстановительный газ состоит из свыше 90% H2, очень незначительной доли CO, а также из CO2, H2O, N2 и CH4.
Этот газ смешивается с только частично израсходованным восстановительным газом (колошниковый газ), нагревают до 850oC и в три стадии (три реактора) в противотоке восстанавливает мелкую руду.
Движение руды начинается с высушивания и последующего просеивания. Затем руда попадает в реактор предварительного подогрева, в котором сжигается природный газ. В трех последующих реакторах мелкая руда восстанавливается при повышенном давлении.
При этом способе восстановительный газ содержит очень высокую долю водорода, так что восстановление мелкой руды здесь протекает исключительно
по реакции
_Fe2O3+3H2 = 2Fe+3H2O-ΔH,
которая сильно эндотермична.
Эта сильно эндотермическая реакция имела бы следствием значительное снижение температуры в реакторах. Для того, чтобы предотвратить это, в случае известного способа вынуждены повышать специфическое количество восстановительного газа на тонну губчатого железа значительно выше термодинамически требующегося минимального количества газа, так что температура реакции в последнем реактора составляет выше 700oC.
Целью
изобретения является устранение этих недостатков и трудностей и в его основу положена задача привлечения химического потенциала восстановительного газа для снижения потребности в энергии. В
особенности в его основу положена задача значительно уменьшить производственные расходы, в особенности расходы на энергию, например, на величину более, чем 30%
Эта задача согласно изобретению
решается тем, что как колошниковый газ, так и конвертированный газ подвергают промывке от CO2 и в полученном путем смещения колошникового газа с конвертированным газом восстановительном
газе устанавливается содержание H2 в пределах 45 75% предпочтительно 50 65% и содержание CO в пределах 10 20%
Согласно изобретению восстановление медной руды осуществляют не
исключительно по описанной выше в уровне техники сильно эндотермической реакций с H2, а дополнительно по реакции:
Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2+ΔH,
которая экзотермична. Образующийся при этом CO2 не приводит ни к какому недостатку, так как он вымывается в скруббере для CO2, через который пропускается колошниковый
газ. Реакция CO с водородом по уравнению:
CO + 3H2 CH4 + H2O
в случае предложенного в изобретении способа не является невыгодной, так как метан
образуется только в очень незначительной концентрации, которая не вносит никаких недостатков.
Далее, существенно то, что содержание CO ограничено величиной 20% Если содержание CO выше этой величины, то это может приводить к затруднениям в установке, такое содержание может приводить к разрушению трубопроводов, по которым идет этот газ.
Благодаря отмывке от CO2 согласно изобретению колошникового газа вместе с конвертированным газом удается простым образом оптимизировать содержание CO, а именно в том отношении, что имеет место реакция с CO, следовательно, возможно поддерживание нейтральным энергетического баланса (по сравнению с реакцией с H2, которая эндотермична), однако надежно предотвращается разрушение трубопроводов, по которым идет газ.
Из патента ФРГ N A-25 26787 известен способ, согласно ограничительной части формулы изобретения, при котором в реакционный сосуд вводится метан с кислородом. Образование восстановительного газа происходит лишь внутри реактора, к которому через отдельный трубопровод подводится подвергнутый промывке от CO2 колошниковый газ. Содержание CO составляет от 31,6% в первой реакционной стадии до 18,3% в последней реакционной стадии. Таким образом, в среднем оно выходит за заявленную максимальную область.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, согласно изобретению содержание водорода и CO в восстановительном газе устанавливают путем поддержания пониженного соотношения пар/природный газ, которое предпочтительно составляет 2,5 3,5. Таким образом, удается поддерживать температуру в зоне восстановления по существу постоянной.
Предпочтительно в восстановительном газе
устанавливается содержание CH4, которое составляет 8-35%
Для сведения к минимуму потребности в энергии согласно предпочтительному варианту осуществления прямое восстановление
осуществляется в нескольких последовательно подключенных зонах восстановления с псевдоожиженным слоем, причем восстановительный газ идет противотоком к мелкодисперсному, содержащему оксид железа
материалу от одной зоны восстановления к другой зоне восстановления и по меньшей мере в последней для восстановительного газа зоне восстановления с псевдоожиженным слоем подвергается частичному
сжиганию за счет подвода кислорода.
Для того, чтобы во всех зонах восстановления с псевдоожиженным слоем установить примерно одинаково высокую постоянную температуру, предпочтительно
дополнительно, смотря по обстоятельствам, прямо подводить свежеполученный восстановительный газ отчасти в отдельные зоны восстановления с псевдоожиженным слоем, следующие за первой в направлении
потока восстановительного газа зоной восстановления с псевдоожиженным слоем, предпочтительно в количестве 5-15%
Согласно предпочтительному варианту прямое восстановление содержащего оксид
материала осуществляется в нескольких подключенных последовательно зонах восстановления с псевдоожиженным слоем, причем для подогрева содержащего оксид железа материала в первом для этого материале
псевдоожиженном слое применяется исключительно рециркулируемый из последовательно расположенных зон восстановления с псевдоожиженным слоем восстановительный газ.
Таким образом, используется исключительно заметная теплота отходящего газа из последовательно расположенных реакторов без сжигания газа. Этот подогрев может осуществляться в одну или несколько стадий.
Установка для осуществления способа содержит по меньшей мере один реактор с псевдоожиженным слоем для введения содержащего оксид железа материала, трубопровод для восстановительного газа к этому реактору с псевдоожиженным слоем и трубопровод отвода колошникового газа, печь для конверсии, выходящий от печи для конверсии трубопровод для конвертированного газа, который соединяется вместе с трубопроводом для колошникового газа, причем образовавшийся из конвертированного газа и колошникового газа восстановительный газ по трубопроводу для восстановительного газа попадает в реактор с псевдоожиженным слоем и скруббером для CO2, при этом как трубопровод для конвертированного газа, так и трубопровод для колошникового газа впадают в CO2-скруббер и трубопровод для восстановительного газа идет от CO2-скруббера к реактору с псевдоожиженным слоем.
Дальнейшее сведение к минимуму потребности в энергии может достигаться согласно предпочтительному варианту осуществления благодаря тому, что множество реакторов с псевдоожиженным слоем расположено последовательно друг за другом, причем содержащий оксид железа материал идет от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через подающие трубопроводы в одном направлении, а восстановительный газ идет от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через соединительные линии в противоположном направлении и причем по меньшей мере в расположенный последним в направлении потока восстановительного газа реактор с псевдоожиженным слоем дополнительно к трубопроводу, подводящему выходящий из предыдущего реактора с псевдоожиженным слоем восстановительный газ, впадают трубопровод для подачи кислорода и в случае необходимости трубопровод для подачи природного газа.
Поддерживание постоянными температур во всех реакторах с псевдоожиженным слоем на одинаковой высоте согласно следующему варианту осуществления достигается благодаря тому, что множество реакторов с псевдоожиженным слоем расположены последовательно друг за другом, причем содержащий оксид железа материала движется от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через подающие трубопроводы в одном направлении, а восстановительный газ идет от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через соединительные трубопроводы в противоположном направлении, и причем реакторы с псевдожиженным слоем в отношении подвода восстановительного газа, наряду с последовательным подключением в отношении дополнительного подвода восстановительного газа, расположены параллельно.
На чертеже представлена схема способа согласно предпочтительному варианту осуществления.
Предложенная согласно изобретению установка состоит из четырех последовательно расположенных друг за другом реакторов с псевдоожиженным слоем 1 4, причем содержащий оксид железа материал, как мелкая руда, по трубопроводу для руды 5 подается в первый реактор с псевдоожиженным слоем 1 и направляется от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через подающие трубопроводы 6 и готовый восстановленный материал (губчатое железо) в устройстве для брикетирования 7 подвергается горячему или холодному брикетированию. В случае необходимости восстановленное железо защищают от повторного окисления во время брикетирования благодаря не представленной системе с инертным газом.
Перед введением мелкой руды в первый реактор с псевдоожиженным слоем она подвергается предварительной подготовке, как высушивание и просеивание, которая подробнее не представлена.
Восстановительный газ идет противотоком к потоку руды от реактора с псевдоожиженным слоем 4 к реакторам к псевдоожиженным слоем 3 1 и в виде колошникового газа через трубопровод 8 колошникового газа отводится из последнего в направлении потока газа реактора с псевдоожиженным слоем 1 и в "мокром" скруббере 9 охлаждается и промывается. Приготовление восстановительного газа осуществляют путем конверсии подводимого по трубопроводу 11 и обессеренного в установке для обессеривания 12 природного газа в печи для конверсии 10. Образовавшийся из природного газа и пара газ состоит, главным образом, из H2, CO, CH4, H2O и CO2. Этот газ через трубопровод 13 для конвертирования газа подается в несколько теплообменников 14, в которых он охлаждается до температуры окружающей среды, благодаря чему из газа выделяется путем конденсации вода.
Трубопровод 13 для конвертированного газа впадает в трубопровод 8 колошникового газа, после того, как колошниковый газ был сжат с помощью компьютера 15. Таким образом, полученный смешанный газ пропускается через CO2-скруббер 16 и освобождается от CO2 и теперь он представляет собой восстановительный газ. Этот восстановительный газ по трубопроводу для восстановительного газа 17 направляется в расположенный после CO2-скруббера 16 подогреватель для газа 18, где нагревается до температуры восстановительного газа примерно 800oC, и далее подается в первый в направлении газового потока реактор с псевдоожиженным слоем 4, где он реагирует с мелкой рудой для получения прямо восстановительного железа. Реакторы с псевдоожиженным слоем 4 1 расположены последовательно, восстановительный газ через соединительные трубопроводы 19 попадает из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем.
Часть колошникового газа выводится из циркуляции газа 8, 17, 19, чтобы избежать обогащения инертными газами, как азот. Выведенный колошниковый газ по ответвляющемуся трубопроводу 20 подается в нагреватель газа 18 для подогрева восстановительного газа и там сжигается. Возможно недостающая энергия дополняется за счет природного газа, который подается по трубопроводу 21.
Заметная теплота выходящего из печи для конверсии 10 газа, а также дымовых газов печи для конверсии используется в рекуператоре 22, чтобы предварительно подогреть природный газ после прохождения через установку 12 для обессеривания, создать для процесса конверсии необходимый пар, а также подогреть подаваемый в нагреватель для газа через трубопровод воздуха для сжигания, а также в случае необходимости подогреть восстановительный газ.
Подаваемый в печь для конверсии по трубопроводу 24 воздух для сожжения также подогревается.
Для того, чтобы избежать снижении температуры в первом в направлении потока руды реактора с псевдоожиженным слоем 1, может быть предпочтительным сжигание части выходящего из второго реактора с псевдоожиженным слоем 2 восстановительного газа в первом реакторе с псевдоожиженным слоем, причем для этой цели в первый реактор с псевдоожиженным слоем вводятся (впадают) трубопровод для подачи кислорода 25 и, в случае необходимости, трубопровод для подачи природного газа 26.
Для того, чтобы во всех реакторах с псевдоожиженным слоем 1 4 поддерживать постоянно на одинаковом уровне температуру реакции и благодаря этому достигать дальнейшего снижения потребности в энергии, горячий и свежий восстановительный газ прямо через отходы 27 подается в реакторы с псевдоожиженным слоем 1 3, которые расположены последовательно за первым в направлении потока восстановительного газа реактором с псевдоожиженным слоем 4, между прочим в количестве примерно 10% в каждый реактор с псевдоожиженным слоем 1, 2 и 3. Реакторы с псевдоожиженным слоем 1 4 таким образом в отношении подвода восстановительного газа расположены не только последовательно, но и, что касается подвода незначительной части восстановительного газа, также параллельно, в противоположность чему реакторы с псевдоожиженным слоем 1 4, что касается отвода, соответственно дальнейшего направления восстановительного газа, в случае представленного примера осуществления расположены исключительно последовательно.
Благодаря применению четырех реакторов с последовательным слоем 1 4 для осуществления прямого восстановления (при избежании реактора для подогрева), по сравнению с уровнем техники, приходят к дальнейшему уменьшению потребности в энергии и к сведению к минимуму потерь на распыливание.
Пример. В изображенной на чертеже установке с почасовой производительностью 70 т/ч подвергнутого горячему брикетированию железа вводят во взаимодействие 100 т/час мелкой руды, 12200 норм. м3/час природного газа с 43300 норм. м3/час пара с получением 76600 норм. м3/час конвертированного газа. Температура в печи для конверсии составляет 830oC, давление 18,5 бар. Количество природного газа, необходимое для нижней топки печи для риформинга, составляет 6200 норм. м3/час. Анализы соответствующих газов и мелкой руды представлены в табл. 1.
Холодный конвертированный газ, 50000 норм. м3/ч, смешивают со 145000 норм. м3/ч рециркулированного колошникового газа и подают в скруббер для CO2, где он освобождается от CO2. Газ, 182000 норм. м3, имеет следующий анализ, представленный в табл. 2.
Этот газ предварительно подогревается в газонагревателе до 800oC. Для этого расходуется примерно 5500 норм. м3/ч колошникового газа и 4600 норм. м3 /ч природного газа.
Анализ колошникового газа следующий
CH4 17,0
CO2 4,40
CO 4,90
H2 39,90
H2O
18,90
N2 14,90
Брикетированное путем горячего брикетирования железо имеет степень металлизации (Feмет/Feges) 92%
Сущность изобретения: в способе прямого восстановления мелкодисперсного, содержащего оксид железа, материала с псевдоожижением осуществляют паровую конверсию природного газа и полученный конвертированный газ смешивают с образующимся при прямом восстановлении колошниковым газом и в качестве восстановительного газа подают в зону восстановления с псевдоожиженным слоем. Колошниковый газ и конвертированный газ подвергают отмывке от CO2 после их смешивания, при этом газы смешивают в соотношении, обеспечивающем содержание H2 в пределах 45 - 75%, предпочтительно 50 - 65% и содержание CO в пределах 10 - 20%. В процессе конверсии соотношение пара и природного газа поддерживают равным 2,5 - 3,5, а содержание CH4 в восстановительном газе - 8-35. Процесс прямого восстановления осуществляют в нескольких, например четырех, реакторах с псевдоожиженным слоем. Реакторы связаны между собой противоположно направленными перегрузочными узлами и трубопроводами восстановительного газа. Последний по ходу движения восстановительного газа оборудован трубопроводами, соединенными с источником кислорода и природного газа. К каждому реактору, кроме первого по ходу восстановительного газа, подведен трубопровод свежего восстановительного газа. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.