RU1786084C - Способ пр мого получени металлов из окислов - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к технологии получени  стали и железа из рудных материалов. Сущность: способ пр мого получени  металлов из окислов включает одновременную газификацию пылёугольного топлива и восстановление металла из окислов продуктами газификации и пылеугольным топливом при проведении процесса в вертикальном вихревом реакторе с тангенциальной подачей реагенИзобретение относитс  к металлургии, в частности к технологии пр мого получени  металла, в особенности стали и железа в расплаве из окислов, т.е. рудных материалов . Известен способ получени  стали из окисленного железа, включающий сжигание угл  в кислороде и перегретом паре дл  получени  восстановительного газа, содержащего 65-45% СО, 35-55% На и небольшого количества СОа, введение в зону горени  тов через патрубки, расположенные по окружности реактора. Реагенты ввод т в среднюю часть реактора на одном уровне в зону зажигани . Пылеугольную пыль в потоке подогретого воздуха, обогащенного кислородом , ввод т при соотношении углерод топлива - кислород окислител  в пределах 1:(1,07-1,33), а измельченную железосодержащую руду и флюсы в смеси с угольной пылью в потоке транспортного газа-носител  при соотношении углерод - железо в диапазоне 1:(4,5-4,6) ввод т через другой патрубок. Температуру подогрева окислител  и степень его обогащени  кислородом устанавливают в пределах, при которых дл  заданной производительности температура в реакторе поддерживаетс  на 30-50°С выше параметра начала жидкого шлакоудале- ни , но не ниже 1600°С, а отход щие газы отвод т через патрубок в верхней части реактора . Способ предусматривает тангенци- альный отвод из реактора продуктов реакций и утилизацию химического и физического тепла отход щих газов. 2 з.п. ф-лы. 3 ил. (Л С ч 00 о о 00 4 потока восход щего газа, содержащего малые частицы окислов железа, подогретых до 500°С (но не выше температуры спекани ). Сжигание угл  в кислороде и перегретом паре осуществл етс  при соотношении 1,7- 2,5 мол  кислорода и 0,5-2 мол  НаО на каждые 4 мол  углерода дл  получени  температуры пламени в пределах 1650-2200°С. Недостатком известного способа  вл етс  его технологическа  сложность и низка  экономичность, обусловленна 

Description

необходимостью проведени  процесса в перегретом паре, а также тем, что процесс провод т при больших значени х коэффициента расхода окислител  а, выбранного в пределах 0,5-0,85. Указанные значени  а. вз ты из условий получени  температуры пламени в пределах 1650-2200°С, однако не отвечают требовани м к составу восстановительного газа: продукты сгорани  содержат большое количество окислителей (до 10% и более).

Известен способ пр мого получени  металлического расплава, предусматривающий частичное восстановление железа, происход щее совместно с его расплавле- нием, осуществл емый путем тангенциальной подачи измельченного железорудного материала, твердого углеродистого восстановител  и кислородсодержащего газа в факел горени , при этом восстановление металла (железа) производитс  остаточным твердым восстановителем, присутствующим в расплаве.

Недостаток указанного аналога -также низка  интенсивность процесса, котора  объ сн етс  тем, что процесс провод т в две стадии в ванне расплава с ее невысокими скорост ми потоков, а следовательно, и тепломассообмена.

Ближайшее к изобретению техническое решение - способ пр мого получени  металлов из окислов в расплаве, включающий одновременные газификацию пылеугрльно- го топлива и восстановление металлосодер- жащей руды продуктами газификации и пылеугольным топливом в смеси с флюсами путем тангенциальной подачи пылеугольно- го топлива в потоке окислител  и смеси измельченной железной руды, флюсов и пы леугольного топлива в потоке газа-носи- тел  в вертикальном цилиндрическом вихревом реакторе с последующим удалением продуктов реакций. Газы удал ютс  через центральный осевой канал из средней части реактора.

Недостаток прототипа тот же, что и у приведенных выше аналогов, а именно: невысока  технико-экономическа  эффективность процесса, св занна  с проведением процесса в ванне расплава. При этом дл  интенсификации процесса необходима дополнительна  подача окислител  в нижнюю ступень реактора, что и приводит к усложнению и удорожанию технологии. Прототи- пу присущ и еще один недостаток - низка  стойкость огнеупорной футеровки ванны.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности процесса.

Указанна  цель достигаетс  тем, что подачу пылеугольного топлива в потоке нагретого окислител , а также смеси металло- (железо)содержащей руды, пылеугольного топлива и флюсов в потоке газа-носител  производ т на одном уровне в зону зажигани  в средней части реактора. Способ, кроме того, отличаетс  тем, что соотношение углерод топлива - кислород окислител  в потоке поддерживают в пределах 1:(1,07- 1,33). Удаление из реактора газообразных продуктов производ т тангенциально из верхней части реактора.

Указанна  нова  совокупность отличительных признаков обеспечивает протекание в вихревом реакторе восстановительной гарниссажной плавки в услови х высокоскоростных закрученных потоков, интенсивного тепло- и массообмена, высоких температур.

На чертежах показан вихревой реактор, в котором может быть реализован предлагаемый способ.

На фиг. 1 изображен вертикальный ци- .линдрический вихревой реактор, осевой разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1.

Вихревой реактор - цилиндрический аппарат, состо щий из двух по высоте ступеней 1 и 2 разного диаметра и высоты, образующих собственно рабочую камеру (реакционную зону), и копильника 3 дл  сбора и удалени  через летку 4 расплава металла и шлака. Нижн   ступень 1  вл етс  зоной зажигани  и расположена в средней части реактора. Она снабжена тангенциальными патрубками дл  подвода реагентов: патрубком гор чего окислительного дуть  5 с установленной в нем у входа в реактор форсункой 6 дл  вдувани  угольной пыли, соплом 7 дл  подачи смеси шихты (металло- рудной руды, флюсов в виде порошка) и угольной пыли в заданной пропорции.

Верхн   ступень 2 снабжена выходным тангенциальным патрубком 8. Стенки 9 реактора с копильником и патрубком выполнены двойными с зазором 10 между ними дл  прохода охлаждающей среды - воды, паровод ной эмульсии или пара (в случае устройства системы испарительного охлаждени ). Подвод и отвод охладител  не показаны.

Вс  огнева  поверхность реактора (включа  копильник) ошипована и покрыта огнеупорной обмазкой 11 (например, на основе окислов циркони ) и при работе находитс  под слоем гарниссажа,

Ступени 1 и 2 разделены диафрагмой 12 - футерованным водоохлаждаемым диском с отверстием 13 дл  отделени  и стока расплава в копильник.

Предлагаемый способ с помощью устройства , изображенного на фиг.1 -3, реализуют следующим образом.

Через входной дутьевой патрубок 5 под давлением пор дка 2-3 эти и более) в зону зажигани  (ступень 1) подают подогретый окислитель - воздух либо воздух, обогащенный кислородом. В поток дуть  у входа в реактор через форсунку 6 вдувают по системе пневмотранспорта пылеугольное топли- во. В случае необходимости пневмотранспорта пылеугольное топливо. В случае необходимости (дл  получени  шлака нужной основности, св зывани  серы и пр.) в угольную пыль добавл ют в процессе ее приго- товлени  (помола) флюсующие добавки - известь, доломит и пр. При смешении пыле- угольного топлива с потоком окислител  происходит зажигание топливовоздушной смеси. Из патрубка 5 поток гор щей смеси с большой скоростью (50-100 м/с) истекает в полость камеры 1 и закручиваетс , формируетс  вихревой факел. В нем происходит неполное сгорание пылеугольного топлива (ПУТ) с получением гор чего восстанови- тельного газа (ГВГ).

Через сопло 7 также по системе пневмотранспорта в ту же зону, в нижнюю ступень 1 реактора тангенциально ввод т смесь тонкоизмельченной шихты (руда, флюсы) с угольной пылью. Эта смесь имеет состав с соотношением углерод - железо 1 :(4,5-4,6). Такое соотношение соответствует стехиометрии реакции (9) - основной реакции всего процесса восстановлени  из расплава по предлагаемому способу. Эта пропорци  и будет оптимальной, отклонени  от нее в любую сторону вызывают перерасход реагентов (часть их остаетс  излишней, не используетс ) снижение сте- пени восстановлени , нарушение управл емости и стабильности процесса.

Из реактора отход щие газы через патрубок 8 направл ютс  на очистку в сухие циклоны и после нее - на утилизацию (не показано). Схемы утилизации, состав оборудовани  могут быть различными и предусматривают использование химического и физического тепла отход щих из реактора газов, содержащих большое количество восстановителей (50-30% и более).

Дутье, подаваемое через входной патрубок 5 (ПУТ в потоке нагретого окислител ), обеспечивает: проведение газифика- ции; расплавление минеральной части реагентов; сепарацию расплавленных капель шлака и их осаждение на стенках, образование гарниссажа; непр мое восстановление железа газообразными восстановител ми:

ЗРе20з+СО 2Рез04+С02+37,25 МДж (1) Рез04+СО ЗРеО+С02-20,96 МДж (2) FeO+CO Fe+C02+13,65 МДж(3) ЗРе20з+Н2 2Рез04+Н20-4,2 МДж (4) Рез04+Н2 ЗР 0+Н20-62,41 МДж (5) РеО+Н2 Ре+Н20-27,8 МДж (6) Как показывает расчетный анализ, на зтой стадии полностью проход т реакции восстановлени  высших окислов до низших, (реакции 1, 2, 4, 5), а восстановление до железа (3, 6) оставл ет около 10-20% от общего его количества в руДе. Результаты первой стадии процесса - выделение тепла и восстановительна  атмосфера - создают услови  дл  второй стадии процесса: пр мого восстановлени  при контактном взаимод ей: ствии расплавленных частиц шихты с твердым углеродом в реакторе при вдувании через сопло 7 реагентов второго технологического потока - смеси ПУТ и шихты.

Процесс протекает по следующим реакци м:

ЗРе2Оз+С 2Рез04+СО-129,7 МДж (7) Рез04+С ЗРеО+СО-187,28 МДж (8) РеО+С Ре+СО-152,67МДж(9) При этом достигаетс  равновесием присутствии твердого углерода в системе С-СО- С02:

С02+С 2СО-166,32МДж;

(Ю).

Таким образом, реакции пр мого восстановлени  железа при высоких температурах (1500°С и более) идут с затратой твердого углерода при поглощении большого количества тепла и с выделением СО (реакции 7-9).

При этом производительность реактор а по восстановленному железу Ь пр ёдел етс  в основном энергетическими услови ми, тепловым балансом - запасом тепла в реакционной зоне.

Вихревые скоростные потоки в реакторе интенсифицируют (в отличие от процессов в ванне или в шахтной печи) механическое и физико-химическое взаимодействие , тепломассообмен реагентов - расплавленных капель, шлака, флюсов, окислов металла и тем самым весь процесс восстановительной гарниссажной плавки.

Согласно за вл емому способу, в дутье поддерживают соотношение углерод - кислород 1 :(1,07-1,33), что соответствует значению коэффициента расхода окислител  а в диапазоне 0,4-0,5. Этот диапазон  вл етс  оптимальным, Он определ етс  двум  противоположными требовани ми: к составу атмосферы (минимум окислителей Ј. R02 . (С02+Н20), наименьшее значение о:) и к

температуре процесса (максимально возможно значение «);

Значение ,4 (отношение углерод - кислород равно 1:1,07) практические дл  всех углей соответствует началу выделени  так называемого конденсированного (свободного ) углерода, окислители при этом в продуктах сгорани  отсутствуют. При ,4 (расход кислорода меньше 1,07 на весовую единицу углерода) резко снижаютс  выход продуктов газификации и температура, ухудшаетс  стабильность процесса. В продуктах воздушной газификации с оЮ,5 содержание 2. R02 невелико и дл  различных углей находитс  в пределах5-7%. ,5 (расход кислорода больше 1,33 на единицу углерода) растет содержание окислителей в газе, развиваетс  реакци  (4) с поглощением углерода и большого количества тепла, т.е. часть технологического угл , введенного через сопло 7, не функционирует как твердый восстановитель (см. уравнени  1-3), а окисл етс . В результате затормаживаетс  восстановительный процесс, ухудшаетс  его экономичность (перерасход топлива, снижение производительности и др.).

При газификации ПУТ различных углей с а около 0,4 в воздухе, нагретом до Ток 1200°С, развиваютс  температуры пор дка 1600-1650°С. С учетом этого, а также по требовани м надежность процесса обеспечивают выбором основных входных параметров процесса: нагрева окислител  (t0) и степени его обогащени  кислородом (ш). Кроме того, с этой целью осуществл ют подогрев сырь  - ПУТ и шихты, а также предварительное восстановление последней путем утилизации отход щих газов.

Опробование предлагаемого способа на испытательном стенде - в реакторе ИВ- f АН подтвердило возможность и технологическую эффективность процесса, реализации восстановительной плавки. В качестве исходных сырьевых материалов использовали уголь - кузнецкий (,8% раб. массы); железна  руда - железный суперконцентрат Оленегорского месторождени  (,78%), крупность помола (угл  и руды) в пределах 70-90 мк. Опытные плавки проведены в следующих диапазонах параметров: температура дуть  (окислител ) около 1300°С, степень обогащени  кислородом около 50%, ,41-0,5, расход угла на газификацию 0,3 кг/с, расход технологической смеси (ПУТ и концентрата) 0,06-0,2 кг/с.

Получен расплав металла, практически соответствующий передельному чугуну (,7; ,3; ,12; ,7%, остальное железо), но с повышенным содержанием серы и основностью шлака 0,05 из-за отсутстви  флю- совани  (расшихтовки).

Преимущества за вл емого решени  по сравнению с прототипом:

увеличение эффективности процесса;

удешевление и упрощение технологии; возможность использовани  низкосортных высокозольных углей (зольностью до 30% и более) при обычном станционном помоле;

высока  удельна  производительность; технологи  хорошо вписываетс  в схему машиностроительного или металлургического завода с неполным циклом (мини-завод , региональный металлургический завод,

отраслевое металлургическое предпри тие и т.д.), отличаетс  маневренностью, хорошо приспособлена к услови м гибкого производства с малотоннажными заказами в широком и мен ющемс  ассортименте

.продукции.

Claims (3)

1. Способ пр мого получени  металлов из окислов, преимущественно железа,

включающий одновременные газификацию пылеугольного топлива и восстановление металлсодержащей руды продуктами газификации и пылеугольным топливом путем раздельной тангенциальной подачи пылеугольного топлива в потоке нагретого окислител  и смеси измельченной руды, флюсов и пылеугольного топлива в потоке газа-носител  в вертикальном цилиндрическом вихревом реакторе с последующим удалением продуктов реакций, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  эффективности процесса, подачу пылеугольного топлива в потоке нагретого окислител , а также смеси руды, пылеугольного топл-ива и флюсов в потоке газа-носител  осуществл ют на одном уровне в зону зажигани  в средней части реактора.

2. Способ по п. 1,отличающийс  тем, что соотношение углерод топлива - кис- лород окислител  в потоке поддерживают в пределах 1:(1,07-1,33).

3. Способ поп. 1,отличающийс  тем, что удаление из реактора газообразных продуктов производ т тангенциально из верхней части реактора.