Способ прямого восстановления оксидов железа до металлического железа, использующий газ коксовых печей или подобный ему газ - RU2439165C2

Чертежи

Описание

Область, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к прямому восстановлению оксидов железа для получения железа, восстановленного прямым способом (DRI), также известного в промышленности как губчатое железо. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на улучшение работы реакторов прямого восстановления, посредством которых метансодержащий газ, преимущественно, газ коксовых печей (COG) используют в качестве рабочего газа для восстановления оксидов железа. Весь данный COG, необходимый для восстановления оксидов железа, заставляют протекать через часть слоя, содержащего DRI, в основном, ниже зоны восстановления реактора восстановления, с большими техническими и экономическими преимуществами. В настоящем изобретении предлагается улучшенный способ прямого восстановления, в соответствии с которым установка прямого восстановления может быть по преимуществу включена в комплексное устройство производства стали, имеющее коксовые или подобные им печи.

Уровень техники

Известно, что в процессе получения металлургического кокса для работы доменных печей уголь нагревают, чтобы удалить большую часть летучих компонентов и сохранить, в основном, структуру углерода. Кокс, таким образом, обладает физическими и химическими свойствами, которые делают его пригодным для обеспечения энергией и поддержки шихты в доменных печах. Летучие вещества угля содержат ряд соединений, которые, подвергаясь перегонке в коксовых печах, составляют продукт, известный как газ коксовых печей.

Объем и состав COG, образованного в коксовых печах, зависят от характеристик используемого угля. Сырой газ коксовых печей, поступающий из батареи коксовых печей, имеет следующий типичный состав: воды около 47%; водорода от 29 до 55%; метана от 13 до 25%; азота от 5 до 10%; монооксида углерода от 3 до 6%; диоксида углерода от 2 до 3%; углеводородов (этан, пропан и т.д.) от 2 до 1%; и различные примеси, такие как пары смол и пары легких масел (ароматических соединений), состоящих, главным образом, из бензола, толуола и ксилола (указанные три, в общем, известны, как БТК); нафталин; аммиак; сероводород; цианистый водород и другие примеси.

Сырой COG должен быть охлажден, очищен и обработан с помощью ряда химических процессов для отделения полезных соединений, таких как аммиак и другие нефтехимические соединения, и для удаления серы, смол и других веществ, таким образом, чтобы он мог быть использован в качестве топливного газа в батарее коксовых печей и других местах на сталелитейном заводе. На установке обработки COG, COG охлаждают, чтобы сконденсировать водяной пар и примеси и для удаления аэрозолей смол, чтобы предотвратить загрязнение газовых линий и оборудования. Также удаляют аммиак, чтобы предотвратить коррозию газовых линий, и нафталин, чтобы предотвратить загрязнение газовых линий при конденсации. Легкие масла отделяют для извлечения и продажи бензола, толуола и ксилола, а сероводород должен быть удален, чтобы соответствовать требованиям по выбросу его в атмосферу.

После такой обработки COG обычно имеет следующий состав: около 61% водорода; около 8% монооксида углерода; около 4% диоксида углерода; около 22% метана; около 1% азота; около 2% воды; около 2% углеводородов, более тяжелых, чем метан, включая этилен и ацетилен; около 5% БТК; и менее чем около 1% сероводорода, смол и нафталина.

Поскольку газ коксовых печей имеет высокую калорийность, он используется главным образом для целей нагревания на сталелитейных заводах, однако водород и монооксид углерода как ценные химикаты, могут быть с пользой использованы для восстановления железных руд до металлического железа для увеличения производства железа/стали сталелитейных установок.

Процессы прямого восстановления могут быть использованы в сталелитейной промышленности в качестве альтернативы доменным печам, или чтобы дополнить доменные печи, при использовании серосодержащего газа коксовых печей, как способ увеличения производства металлического железа. Наиболее распространенным типом реактора, в котором получают DM, является печь с движущимся слоем шахтного типа, имеющая две главных секции: зону восстановления, в которой восстанавливающий газ циркулирует при высокой температуре и через которую указанный восстанавливающий газ возвращают в контур восстановления, и зону охлаждения, расположенную ниже зоны восстановления, в которой DRI охлаждают до температуры окружающей среды прежде, чем выгрузить из указанного реактора, с помощью циркуляции охлаждающего газа, содержащего также водород и монооксид углерода в охлаждающем контуре.

Железосодержащие частицы в форме гранул, кусков или их смесей загружают в верхнюю часть реактора восстановления шахтного типа и восстанавливают до металлического железа при взаимодействии указанных частиц с восстанавливающим газом, содержащим водород и монооксид углерода, при температуре выше 850°C.

Кислород удаляют из железных руд с помощью химических реакций с водородом (H₂) и монооксидом углерода (CO) для получения железа, восстановленного прямым способом (DRI), имеющего высокую степень металлизации (отношение металлического железа к общему содержанию железа в DRI).

Реакции полного восстановления, на которых основан данный процесс, известны и представлены ниже:

Водород и монооксид углерода, преобразованные в воду и диоксид углерода согласно реакциям (1) и (2), отделяют от газового потока, циркулирующего в контуре восстановления и заменяют свежим сырьем восстанавливающего газа. Данный восстанавливающий газовый состав, в общем, поступает от установки реформинга природного газа, но, согласно настоящему изобретению, этот газовый состав отбирают от газа, циркулирующего через нижнюю зону охлаждения/разгрузки реактора восстановления. DRI, присутствующее в зоне охлаждения/разгрузки, участвуют в удалении тяжелых углеводородов, БТК, смол и других нежелательных соединений, присутствующих в COG. Следовательно, эти вещества отсутствуют в контуре восстановления, и не существует проблемы загрязнения в нагревателе газа и другом оборудовании.

До настоящего времени существовало несколько предложений, касающихся использования COG в процессах прямого восстановления, например, патент US №4054444 раскрывает способ прямого восстановления, в котором метан или метансодержащий газ вводят в шахтную печь ниже ее зоны восстановления, чтобы увеличить содержание углерода в DRI. Однако в патенте специально не упомянуто использование COG. COG упомянут здесь в связи с более широкой возможностью подачи метансодержащего технологического газа в контур охлаждающего газа. Газы, введенные в контур охлаждения, полностью протекают вверх через печь из зоны охлаждения в зону восстановления. Этот патент не предусматривает возможность передачи газа из контура охлаждения в контур восстановления через внешний трубопровод, поэтому количество газов, которое может быть подано в контур охлаждения, ограничено количеством, которое не охлаждает слой железных частиц в зоне восстановления.

Патент US №4253867 раскрывает способ использования углеводородсодержащего газообразного технологического топлива на примере COG для восстановления железных руд, в котором смесь COG и водяного пара подают в промежуточную зону, расположенную между зоной восстановления и зоной охлаждения реактора восстановления. Газ коксовых печей преобразуют в водород и монооксид углерода в зоне реформинга, используя преимущества каталитического действия железа и высокой температуры твердого DRI в указанной зоне реформинга. Данный патент ни раскрывает возможности подачи всего COG, необходимого для восстановления оксидов железа, в охлаждающий контур, ни предлагает передавать газ из охлаждающего контура в контур восстановления по внешнему трубопроводу.

Патенты US №4270739 и US №4351513 раскрывают способ прямого восстановления, в котором серосодержащий технологический топливный газ, такой как газ коксовых печей, обессеривают с помощью железосодержащих частиц, содержащихся в реакторе восстановления, нагреванием и введением COG выше зоны восстановления печи восстановления. В патенте '739 COG нагревают в огневом нагревателе перед его введением в зону обессеривания, а в патенте '513 COG нагревают с помощью теплообмена с отходящими газами установки реформинга. Данные патенты не предполагают подачу COG в охлаждающий контур и затем передачу большей части указанного COG из охлаждающего контура в контур восстановления посредством трубопровода, внешнего по отношению к печи восстановления (со значительным преимуществом в части управления процессом).

Документы, процитированные в данном описании (включая патенты), и все документы, которые были процитированы или на которые ссылаются в документах, процитированных в данном описании, включены в описание в качестве ссылок. Документы, включенные в качестве ссылок в данное описание, или любые раскрытия, приведенные в них, могут быть использованы в практике настоящего изобретения.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для более эффективного использования газа коксовых печей (COG) или подобных ему газов при восстановлении железных руд до DRI в реакторе восстановления с подвижным слоем.

Указанная цель достигается в таком реакторе восстановления, состоящем из верхней зоны восстановления и нижней зоны разгрузки, в котором весь COG, который должен быть подан в качестве состава для восстанавливающего газа, циркулирующего и реагирующего в указанной зоне восстановления, сначала подают в указанную зону разгрузки (предпочтительно функционирующую также в качестве зоны охлаждения), а после этого такой COG (кондиционированный пропусканием через DRI в зоне разгрузки) отбирают из данного реактора и затем добавляют к восстанавливающему газу, который повторно направляют в указанную зону восстановления для восстановления указанных железных руд.

В целом, настоящее изобретение касается способа получения железа, восстановленного прямым способом (DRI), посредством восстановления содержащих оксиды железа частиц в содержащие металлическое железо частицы (DRI) в реакторе восстановления, включающем зону восстановления и нижнюю зону разгрузки, взаимодействием указанных содержащих оксиды железа частиц с высокотемпературным потоком восстанавливающего газа, содержащим водород и монооксид углерода в указанной зоне восстановления, и в котором восстановленные частицы (DRI) стекают вниз из указанной зоны восстановления через указанную нижнюю зону разгрузки; причем указанный способ характеризуется усовершенствованием, заключающимся во введении и циркуляции метансодержащего технологического газа через указанную нижнюю зону, в том числе и через DRI, содержащееся там; удалении из реактора по меньшей мере части газа, протекающего в указанной нижней зоне; передаче с внешней стороны указанного реактора по меньшей мере первой части такого газа, удаленного из указанной нижней зоны; объединении такой первой части указанного удаленного газа с по меньшей мере частично регенерированным исходящим потоком восстанавливающего газа, возвращаемого обратно в зону восстановления; подаче таких объединенных газов вместе в зону восстановления указанного реактора; и управлении расходом указанного метансодержащего технологического газа так, чтобы он был больше, чем расход указанной переданной части указанного удаленного газа примерно на от 50 нормальных кубических метров (нм³) и примерно до 300 нм³ на метрическую тонну DRI, полученного в указанном реакторе восстановления.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает принципиальную схему способа, в котором COG используют в процессе прямого восстановления в отсутствие установки реформинга, и в котором теплосодержание потока восстанавливающего газа, исходящего из реактора прямого восстановления, использовано для получения пара.

Фиг.2 показывает принципиальную схему способа, в котором COG используют в процессе прямого восстановления в отсутствие установки реформинга, и в котором теплосодержание потока восстанавливающего газа, исходящего из реактора прямого восстановления, использовано для предварительного нагревания восстанавливающего газа, рециклированного в указанный реактор восстановления.

Фиг.3 показывает принципиальную схему способа, в котором COG используют в процессе прямого восстановления, имеющего реформер в контуре газа восстановления.

Фиг.4 показывает принципиальную схему способа, в котором COG используют в процессе прямого восстановления, в котором часть потока восстанавливающего газа, исходящего из реактора восстановления, возвращают в реактор восстановления через установку реформинга, а другую часть указанного исходящего потока газа возвращают через газонагреватель.

Фиг.5 является принципиальной схемой способа, подобной той, что показана на фиг.1, в которой реактор модифицирован так, что зона разгрузки в основании реактора (в отличие от реакторов, показанных на предыдущих фигурах) не включает охлаждающий контур.

Осуществление изобретения

На приложенных чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают одинаковые элементы способа и устройства по данному изобретению. Более подробно на фиг.1 позиция 10 обозначает в целом реактор прямого восстановления шахтного типа с подвижным слоем, имеющий верхнюю зону 12 восстановления и нижнюю зону 14 разгрузки. Зона 14, как один из вариантов, также может быть приспособлена для функционирования в качестве зоны охлаждения. COG из подходящего источника 16 подают по трубопроводу 18 в зону 14 охлаждения посредством трубопровода 22. Как правило, источник 16 поставляет предварительно кондиционированный COG, из которого были удалены многие примеси и некоторые полезные соединения, но который все еще содержит остаточные примеси, вызывающие проблемы при обработке и проблемы в технологическом процессе. Согласно настоящему изобретению COG обрабатывают, улучшая его качество пропусканием его через слой DRI, сформированный в реакторе восстановления таким способом, который допускает улучшенное централизованное управление процессом восстановления при кондиционировании COG.

В предпочтительном варианте воплощения зона 14 разгрузки включает контур охлаждения газа, который образован трубопроводом 22, зоной 14 охлаждения, трубопроводом 24, газоохладителем 26, трубопроводом 28 и компрессором 30.

Согласно настоящему изобретению, часть исходящего потока охлаждающего газа из зоны 14 охлаждения передают из контура охлаждения посредством трубопровода 31 в трубопровод 36 (который образует часть контура восстанавливающего газа для зоны 12 восстановления). Контроллер 34 регулирует расход газа, циркулирующего по трубопроводу 18, посредством управляющего клапана 20, а количество газа, протекающего по трубопроводу 31, посредством управляющего клапана 32. Посредством такого регулирования контроллером 34 количество газа, которое может подниматься из зоны охлаждения в зону восстановления внутри реактора 10, является управляемым и предпочтительно минимизировано. Это является важной особенностью настоящего изобретения; потому что, таким образом, COG, после подачи в зону 14 охлаждения, взаимодействия там с подвижным слоем DRT и кондиционирования, затем, по существу, полностью передан в контур восстановления по трубопроводу 31, для нагревания контролируемым способом и, в конечном счете, введения в зону 12 восстановления как часть рециклированного восстанавливающего газа. Без этого управления газовым потоком внутри реактора 10 условия процесса в зоне восстановления и зоне охлаждения не могут быть отрегулированы до желаемого состава газа, потока и температуры, подходящих для эффективного восстановления частиц оксидов железа и для получения DRI 65 хорошего качества.

Было обнаружено, что лучшие результаты достигнуты, когда разница между расходом газа, протекающего через трубопровод 18 (F1), и расходом газа, протекающего через трубопровод 31 (F2), находится в диапазоне примерно от 100 до примерно 200 нормальных кубических метров (нм³) на тонну произведенного DRI (F1>F2), но предпочтительно эта разница должна быть, по меньшей мере, чем примерно от 50 до примерно 300 нм³ на тонну произведенного DRI.

Поток COG из зоны 14 охлаждения в трубопроводе 24 имеет следующий объемный состав: около 48% водорода; около 41% метана; около 7% воды; около 0,6% монооксида углерода; около 2% диоксида углерода и около 1% азота. Тяжелые углеводороды и БТК были превращены в полезные восстанавливающие газы при взаимодействии COG с DRI, сера также была удалена из COG с помощью DRI. Поэтому газовый исходящий поток из зоны 14 охлаждения по трубопроводу 31 может быть безопасно передан в контур восстановления, без возникновения проблем осаждения углерода и загрязнения оборудования, особенно газонагревателя, теплообменников и компрессоров.

Газ COG после прохождения через зону 14 охлаждения проходит через трубопровод 31 и объединяется с исходящим потоком восстанавливающего газа из зоны 12 восстановления в трубопроводе 36, который приводит к компрессору 38 и затем по трубопроводу 40 к установке 42 удаления CO₂ (где часть CO₂, полученная при реакциях восстановления, удаляют, чтобы регенерировать восстановительный потенциал газа, возвращаемого в зону 12 восстановления). Удаление диоксида углерода может быть проведено с помощью химической абсорбции или физической адсорбции. Восстанавливающий газ, теперь имеющий низкое содержание CO₂ - около 3%, поступает по трубопроводу 46 в увлажнитель 48, где содержание воды в указанном газе контролируемым образом повышают до более высокого уровня - около 6%. Увлажненный газ затем поступает по трубопроводу 54 в нагреватель 56, где его температуру поднимают выше, чем до 850°C, предпочтительно, примерно до 900°C и более предпочтительно, примерно до 950°C. Любое подходящее топливо из источника 80 может быть передано по трубопроводу 82 в огневой нагреватель 56. Это топливо может быть дополнено восстанавливающим газом, вытесненным из контура восстановления по трубопроводу 78. Горячий газовый исходящий поток от нагревателя 56 затем объединяют с кислородом или обогащенным кислородом воздухом 62 из подходящего источника 60. Частичное сжигание с кислородом повышает температуру восстанавливающего газа, поданного в зону 12 восстановления до, приблизительно, от 1000 до 1050°C. Высокотемпературный восстанавливающий газ восстанавливает содержащие оксиды железа частицы 63 (например, гранулы железной руды), подаваемые в верхнюю часть зоны 12, до содержащего металлическое железо DRI 65, которое опускается вниз по реактору со скоростью, регулируемой средствами, известными в технике, и высвобождается посредством зоны 14 охлаждения/разгрузки.

Восстанавливающий газ, поданный в зону 12 восстановления, после реакции с содержащими оксид железа частицами 63 отбирают из реактора 10 посредством трубопровода 64. Горячий восстанавливающий газ пропускают через теплообменник 66, в котором получают преимущественно пар 68. Пар 68 может затем быть использован при работе установки 42 удаления CO₂. Из теплообменника 66 восстанавливающий газ подают по трубопроводу 70 в охладитель 72, где восстанавливающий газ непосредственно контактирует с водой 74, чтобы понизить температуру газа ниже примерно 50°C, а также отмыть из него пыль. Воду, образованную при реакциях восстановления в зоне 12, конденсируют в охладителе 72 и удаляют из восстанавливающего газа, регенерируя таким образом его восстановительный потенциал. Охлажденный газ протекает по трубопроводу 73, и его разделяют на две части. Главную часть охлажденного газа возвращают по трубопроводу 36 и далее в зону 12 восстановления, замыкая, таким образом, контур восстанавливающего газа (а меньшую часть вытесняют из указанного контура восстанавливающего газа через трубопровод 78 с регулируемой скоростью с помощью управляющего клапана 76). Вытесненный газ из трубопровода 78 может быть использован как топливо для огневого нагревателя 56 посредством трубопровода 82, или в других целях.

Горячую воду 75 извлекают из охладителя 72 и предпочтительно используют в увлажнителе 48 в качестве исходной воды 50 с тем преимуществом, что ее более высокая температура вносит вклад в повышение температуры восстанавливающего газа в увлажнителе 48, и поэтому количество воды, добавленной к восстанавливающему газу, можно контролировать. Содержание воды в газовом потоке после увлажнения обычно составляет приблизительно от 5% и приблизительно до 10% по объему. Избыточную воду из увлажнителя 48 выпускают через трубопровод 52. Этот прием был описан в патенте US №5110350.

Горячее DRI, в качестве одного из вариантов, охлаждают от температуры около 800°C до ниже чем 100°C в зоне 14 охлаждения перед выгрузкой DRI 65 из реактора 10. В данном предпочтительном варианте воплощения COG из источника 16 используют в качестве охлаждающего агента и также очищают от тяжелых углеводородов и БТК. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть также применено к реакторам, в которых температуру DRI необязательно снижать до почти окружающей температуры перед выгрузкой (это возможно, когда горячая выгрузка желательна для брикетирования). В этом случае нет никакой необходимости формирования контура охлаждающего газа с охладителем 26 и компрессором 30, и COG может быть напрямую пропущен через зону 14 без рециркуляции, а затем COG может быть передан в зону 12 восстановления по трубопроводу 31.

На фиг.2 общая компоновка схемы способа аналогична схеме, показанной на фиг.1, с тем различием, что теплообменник 66 используют, чтобы предварительно подогреть восстанавливающий газ, полученный из увлажнителя 48 по трубопроводу 69, перед тем, как возвратить его через нагреватель 56 в зону 12 восстановления. COG подают из источника 16 через зону 14 охлаждения и затем, в конечном счете, передают в контур восстановления по трубопроводу 31 в режиме, подобном тому, как описано выше в отношении фиг.1.

Показанный на фиг.3 процесс прямого восстановления отличается от процессов на фиг.1 и 2 тем, что поток восстанавливающего газа, исходящий из зоны восстановления, возвращают через установку 55 каталитического реформинга, в которой содержащий метан рециклизованный газ подвергают реформингу с диоксидом углерода, образованным в зоне 12 восстановления, чтобы получить водород и монооксид углерода. COG подают из источника 16 через зону 14 охлаждения и затем, в конечном счете, передают в контур восстановления по трубопроводу 31 в режиме, подобном тому, как описано выше в отношении фиг.1.

Фиг.4 показывает процесс прямого восстановления, который комбинирует в контуре восстановления как нагреватель 56 рециклированного газа, так и установку 55 каталитического реформинга, работающую подобно вариантам воплощения, показанным на фиг.1, 2 и 3. COG подают из источника 16 через зону 14 охлаждения и затем, в конечном счете, передают в контур восстановления по трубопроводу 31 в режиме, подобном тому, как описано выше в отношении фиг.1.

Настоящее изобретение описано относительно нескольких предпочтительных вариантов воплощения, однако специалисты в данной области техники смогут легко рассмотреть и другие варианты, которые находятся в рамках данного изобретения, объем которого следует определять, исходя из следующей формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится способу получения железа, восстановленного прямым способом (DRI), посредством восстановления частиц, содержащих оксиды железа, в частицы, содержащие металлическое железо (DRI). Способ осуществляют в реакторе восстановления, включающем зону восстановления и нижнюю зону разгрузки. Указанные частицы, содержащие оксиды железа, взаимодействуют с потоком высокотемпературного восстанавливающего газа, содержащего водород и монооксид углерода в зоне восстановления, в которой восстановленные частицы (DRI) стекают из зоны восстановления через нижнюю зону разгрузки. Способ включает введение метансодержащего технологического газа и его циркуляцию через нижнюю зону, включая содержащееся в ней DRI. Из реактора удаляют часть газа, протекающего в нижней зоне, передают внешним образом из реактора первую часть газа, отобранного из нижней зоны, в поток частично регенерированного исходящего восстанавливающего газа, который возвращают в зону восстановления. Объединенные газы совместно подают в зону восстановления реактора и управляют расходом метансодержащего технологического газа таким образом, чтобы он был больше, чем расход переданной части отобранного газа примерно на 50 нм3-300 нм3 на тонну DRI, полученного в реакторе восстановления. Изобретение направлено на более эффективное использование газа коксовых печей при восстановлении железных руд до DRI в реакторе восстановления. 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула