RU2352643C1 - Metal reduction method of iron group by natural gas and facility for its implementation - Google Patents
Metal reduction method of iron group by natural gas and facility for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2352643C1 RU2352643C1 RU2007126401/02A RU2007126401A RU2352643C1 RU 2352643 C1 RU2352643 C1 RU 2352643C1 RU 2007126401/02 A RU2007126401/02 A RU 2007126401/02A RU 2007126401 A RU2007126401 A RU 2007126401A RU 2352643 C1 RU2352643 C1 RU 2352643C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- furnace
- natural gas
- gas
- carbon
- reduction
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
- Y02P10/143—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions of methane [CH4]
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к производству железа, кобальта, никеля посредством восстановления этих металлов из оксидного сырья, такого как дисперсные руды, частично восстановленные руды, рудные концентраты и металлсодержащие оксидные отходы, газообразным восстановителем - природным газом в плазмохимическом реакторе, основная доля энергии в который вводится с помощью дугового разряда.The invention relates to non-coke metallurgy, in particular to the production of iron, cobalt, nickel by reducing these metals from oxide raw materials, such as dispersed ores, partially reduced ores, ore concentrates and metal-containing oxide waste, with a gaseous reducing agent being natural gas in a plasma chemical reactor, the main share energy into which is introduced using an arc discharge.
Известны способы восстановления металлов группы железа и соответствующие устройства на основе дуговых разрядов (Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева. Под ред. Свенчанского А.Д., М., Энергоиздат, 1981 г., с 296; Физика и химия плазменных металлургических процессов. Под редакцией Б.Е.Патона, М., Наука, 1985 г. с.184; Блинов В.А., Конке Г.Я. и др. Восстановление монооксида никеля природным газом при электродуговой плавке, Физика и химия обработки материалов, 1988 г. №6 30-33 с).Known methods for the reduction of metals of the iron group and corresponding devices based on arc discharges (Electric industrial furnaces. Arc furnaces and special heating installations. Edited by A. Svenchansky, M., Energoizdat, 1981, p. 296; Plasma Physics and Chemistry metallurgical processes. Edited by B.E. Paton, M., Nauka, 1985, p. 1984; Blinov V.A., Konke G.Ya. et al. Reduction of nickel monoxide by natural gas during electric arc smelting, Physics and Chemistry of Processing Materials, 1988 No. 6 30-33 s).
Обычно способ и устройство включают электродуговую печь и содержат камеру печи с керамическим или металлическим тиглем, ванну расплава, средства удаления металла и шлака, средства подачи исходного оксидного сырья и восстановительного плазмообразующего газа и расположенный на центральной оси рабочий электрод, выполненный обычно из графита или вольфрама. Рабочий электрод установлен обычно в верхней части устройства. В ряде случаев для нагрева реагентов в дуге используют полый электрод. Через него подают исходный оксидный материал и восстановительный плазмообразующий газ. Электрод является катодом дугового разряда, роль анода выполняет ванна расплава, находящегося на подине печи, контактирующая с подовым электродом. Энергию отходящего от печи газа утилизируют в энергетическом блоке, производящем электрическую и тепловую энергию.Typically, the method and apparatus include an electric arc furnace and comprise a furnace chamber with a ceramic or metal crucible, a melt bath, metal and slag removal means, means for supplying an initial oxide feed and a reducing plasma-forming gas and a working electrode located on the central axis, usually made of graphite or tungsten. The working electrode is usually installed in the upper part of the device. In some cases, a hollow electrode is used to heat the reagents in the arc. Through it serves the source of oxide material and a reducing plasma-forming gas. The electrode is the cathode of the arc discharge, the role of the anode is played by the molten bath located on the bottom of the furnace, in contact with the bottom electrode. The energy of the exhaust gas from the furnace is disposed of in an energy unit that produces electrical and thermal energy.
Процесс восстановления металла заключается в том, что на расплав оксида металла подают восстановительный синтез-газ, в состав которого входит углерод главным образом в виде СО и СН4. Восстановительный синтез-газ получают или посредством газификации угля, или посредством конверсии природного газа (взаимодействие угля или природного газа с окислителями: кислородом, парами воды и т.д.). При восстановлении металла образуются СО2 и пары воды, которые вместе с непрореагировавшим СО отводятся из реакционного пространства печи и выбрасываются в атмосферу. Таким образом, углерод, поступающий в печь, выбрасывается в атмосферу в большом количестве в виде токсичного и парникового газов.The metal reduction process consists in the fact that reducing metal is supplied to the metal oxide melt, which includes carbon mainly in the form of CO and CH 4 . Reductive synthesis gas is produced either by coal gasification, or by natural gas conversion (the interaction of coal or natural gas with oxidizing agents: oxygen, water vapor, etc.). During metal reduction, CO 2 and water vapor are formed, which, together with unreacted CO, are removed from the reaction space of the furnace and emitted into the atmosphere. Thus, the carbon entering the furnace is emitted into the atmosphere in large quantities in the form of toxic and greenhouse gases.
Общим недостатком известных способов и устройств является то, что для восстановления оксидного сырья в качестве восстановителя используют углерод в газообразных соединениях (СО, СН4) и после взаимодействия с оксидом металла углерод выбрасывают в атмосферу в виде токсичного СО и парникового газа СО2. Улавливание оксидов углерода или так называемая «отмывка» от них отходящего от печи газа при большом их содержании является сложной и капиталоемкой технической задачей.A common disadvantage of the known methods and devices is that carbon is used as a reducing agent in the reduction of oxide raw materials in gaseous compounds (CO, CH 4 ), and after interaction with metal oxide, carbon is released into the atmosphere in the form of toxic CO and greenhouse gas CO 2 . The capture of carbon oxides or the so-called “washing” of the exhaust gas from the furnace from them with their high content is a complex and capital-intensive technical task.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению являются способ и устройство для восстановления металлов группы железа (железа, кобальта, никеля) конверсированным природным газом из дисперсного оксидного сырья, описанные в «Физика и химия плазменных металлургических процессов» /Под редакцией Б.Е.Патона, М., Наука, 1985 г. с.184; Блинов В.А., Конке Г.Я. и др. «Восстановление монооксида никеля природным газом при электродуговой плавке», Физика и химия обработки материалов, 1988 г., №6, с.30-33. Устройство включает электродуговую печь, восстановительный реактор которой образован рабочим пространством печи, электроды: верхний, расположенный над ванной рудного расплава, и нижний, расположенный в расплаве, между которыми возбуждают дуговой разряд, коллектор для отвода продуктов реакции восстановления из восстановительного реактора, питатели с исходного оксидным сырьем, природным газом и окислителем, устройство сбора готового продукта. В этом устройстве верхний электрод является катодом, а ванна расплава - анодом дугового разряда печи, подключенной к источнику постоянного тока.The closest analogue to the present invention is a method and device for the reduction of metals of the iron group (iron, cobalt, nickel) with converted natural gas from dispersed oxide raw materials described in "Physics and Chemistry of Plasma Metallurgical Processes" / Edited by B.E. Paton, M ., Science, 1985 p. 184; Blinov V.A., Konke G.Ya. et al. “Recovery of Nickel Monoxide with Natural Gas during Electric Arc Smelting”, Physics and Chemistry of Materials Processing, 1988, No. 6, pp. 30-33. The device includes an electric arc furnace, the reduction reactor of which is formed by the working space of the furnace, electrodes: the upper one located above the bath of the ore melt, and the lower one located in the melt, between which an arc discharge is excited, a collector for diverting the products of the reduction reaction from the reduction reactor, and oxide feed sources raw materials, natural gas and oxidizing agent, device for collecting the finished product. In this device, the upper electrode is the cathode, and the melt pool is the anode of the arc discharge of the furnace connected to a constant current source.
Недостатком известных способа и устройства является то, что природный газ подвергают конверсии и углерод в качестве восстановителя используют в газообразных соединениях - СО и СН4. После взаимодействия такого газа-восстановителя с оксидом металла углерод выводят из печи и выбрасывают в атмосферу в виде токсичного СО и парникового CO2 газов. Природный газ с окислителем (кислородом) подают в область дугового разряда через канал полого графитового электрода, а продукты реакции напрямую через коллектор печи сбрасываю в атмосферу.A disadvantage of the known method and device is that natural gas is converted and carbon is used as a reducing agent in gaseous compounds — CO and CH 4 . After the interaction of such a reducing gas with a metal oxide, carbon is removed from the furnace and released into the atmosphere in the form of toxic CO and greenhouse CO 2 gases. Natural gas with an oxidizing agent (oxygen) is fed into the region of the arc discharge through the channel of the hollow graphite electrode, and the reaction products are directly discharged into the atmosphere through the furnace manifold.
В известном способе восстановления, как было сказано выше, природный газ перед восстановлением металла подвергают конверсии, т.е. смешивают с окислителем - кислородом, что при нагреве приводит к образованию синтез-газа, состоящего из окиси углерода, водорода и метана. Этот газ и является восстановителем металла. Конверсию природного газа применяют для того, чтобы избежать пиролиза природного газа и закоксования полости электрода, через которую подают реагенты - оксидное сырье и газ-восстановитель.In the known reduction method, as mentioned above, natural gas is subjected to conversion before metal reduction, i.e. mixed with an oxidizing agent - oxygen, which when heated leads to the formation of a synthesis gas consisting of carbon monoxide, hydrogen and methane. This gas is a metal reducing agent. Conversion of natural gas is used in order to avoid pyrolysis of natural gas and coking of the electrode cavity, through which reagents - oxide feed and reducing gas - are fed.
Использование конверсированного природного газа для восстановления металлов приводит к тому, что практически весь углерод природного газа (около 250 кг/т железа) превращается в оксид углерода и выбрасывается в атмосферу в виде угарного и парникового газов. Улавливание большого количества оксида углерода сопряжено с созданием громоздкого и дорогого сепарирующего устройства для отходящего газа. Кроме того, конверсия природного газа понижает его восстановительный потенциал, что, в свою очередь, требует повышенного расхода природного газа и дополнительного расхода окислителя и, в конечном итоге, усложняет и удорожает процесс восстановления.The use of converted natural gas for metal reduction leads to the fact that almost all the carbon of natural gas (about 250 kg / t of iron) is converted to carbon monoxide and emitted into the atmosphere in the form of carbon monoxide and greenhouse gases. The capture of large amounts of carbon monoxide is associated with the creation of a bulky and expensive separating device for exhaust gas. In addition, the conversion of natural gas lowers its reduction potential, which, in turn, requires an increased consumption of natural gas and an additional consumption of an oxidizing agent and, ultimately, complicates and increases the cost of the recovery process.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа и устройства, позволяющих восстанавливать металлы группы железа природным газом без вредных выбросов в атмосферу.The problem to which the present invention is directed, is to create a method and device that allows you to restore the metals of the iron group by natural gas without harmful emissions into the atmosphere.
Техническим результатом изобретения является улучшение экологических и экономических показателей производства металлов группы железа.The technical result of the invention is to improve the environmental and economic indicators of production of metals of the iron group.
Технический результат достигается тем, что в способе восстановления металлов группы железа природным газом, включающем подачу природного газа и исходного оксидного сырья в область дугового разряда электропечи, возбуждение электрической дуги между электродом и оксидным сырьем, плавление и восстановление оксидного сырья, отвод из печи продуктов реакций, вывод готового металлопродукта из печи и его сбор, очистку отходящей из печи пылегазовой смеси от углекислого газа, паров воды, пылевидных частиц, утилизацию энергии отходящего от печи газа, согласно изобретению природный газ без окислителя подают в высокотемпературную (2000°С и выше) область дугового разряда, и переводят углерод природного газа посредством пиролиза из газообразного соединения - метана в конденсированное состояние - сажу, отходящую из печи пылегазовую смесь подвергают охлаждению со скоростью 103-105°С/с в устройстве для охлаждения, а из пылегазовой смеси, отходящей от устройства для охлаждения, извлекают и складируют нанодисперсный сажистый углерод.The technical result is achieved in that in a method for reducing metals of an iron group by natural gas, including supplying natural gas and an oxide feed to an arc discharge region of an electric furnace, excitation of an electric arc between an electrode and oxide feed, melting and reduction of an oxide feed, removal of reaction products from the furnace, removal of the finished metal product from the furnace and its collection, purification of the dust and gas mixture leaving the furnace from carbon dioxide, water vapor, dust particles, utilization of energy from the furnace according to the invention, natural gas without an oxidizing agent is fed into a high-temperature (2000 ° C and higher) region of the arc discharge, and carbon of natural gas is transferred by means of pyrolysis from a gaseous compound - methane to a condensed state - soot, the dust-gas mixture leaving the furnace is cooled at a speed of 10 3 -10 5 ° C / s in the device for cooling, and nanodispersed soot carbon is removed and stored from the dust-gas mixture leaving the device for cooling.
Устройством для восстановления металлов группы железа природным газом, включающим электродуговую печь, электроды: верхний, расположенный над ванной рудного расплава, и нижний, расположенный в расплаве, для возбуждения дугового разряда между верхним электродом и расплавом, коллектор для отвода продуктов реакции восстановления из печи, питатели исходным оксидным сырьем и природным газом, устройство для вывода из печи и сбора готового металлопродукта, сепарирующее устройство для очистки пылегазовой смеси, отходящей из печи, от углекислого газа, паров воды, пылевидных частиц, энергетический блок, утилизирующий энергию отходящего от печи газа, согласно изобретению устройство дополнительно содержит охлаждаемый трубопровод для подачи сырого природного газа в дуговой разряд, расположенный по периферии электрода выше его рабочего торца на расстоянии от последнего 0,7-1,2 диаметра электрода, устройство для охлаждения в виде теплообменника, обеспечивающее охлаждение продуктов реакций восстановительного реактора, а сепарирующее устройство дополнительно содержит фильтрующий элемент в виде электрофильтра для улавливания нанодисперсных частиц сажистого углерода.Device for the reduction of iron group metals by natural gas, including an electric arc furnace, electrodes: upper, located above the ore melt bath, and lower, located in the melt, to initiate an arc discharge between the upper electrode and the melt, a collector for removal of reduction reaction products from the furnace, feeders starting oxide raw materials and natural gas, a device for removing from a furnace and collecting finished metal products, a separating device for cleaning carbon dioxide exhaust from the furnace from carbon dioxide o gas, water vapor, dust particles, an energy unit that utilizes the energy of the gas leaving the furnace, according to the invention, the device further comprises a cooled pipeline for supplying raw natural gas to the arc discharge, located on the periphery of the electrode above its working end at a distance from the last 0.7 -1.2 diameter of the electrode, a device for cooling in the form of a heat exchanger, providing cooling of the reaction products of the reduction reactor, and the separating device further comprises a filter lement as a precipitator for collecting nanosized particles of black carbon.
Используемые термины и определения.Terms and definitions used.
Восстановительный реактор - пространство печи, ограниченное подиной, боковыми стенками и сводом, в котором осуществляется взаимодействие оксидного сырья и природного газа, приводящее к восстановлению металла.A reduction reactor is a furnace space bounded by a hearth, side walls, and a vault in which oxide raw materials and natural gas interact, leading to metal reduction.
Дуговой разряд, электрическая дуга, дуга - газовый электрический разряд, горящий между твердыми и жидкими электродами и характеризующийся низким напряжением 10-103 В и большим током 10-105 А.Arc discharge, electric arc, arc - gas electric discharge burning between solid and liquid electrodes and characterized by a low voltage of 10-10 3 V and a high current of 10-10 5 A.
Устройство для охлаждения - устройство, предназначенное для быстрого охлаждения пылегазового потока, с целью предотвращения обратных реакций окисления углерода.Cooling device - a device designed to quickly cool the dust and gas stream in order to prevent reverse carbon oxidation reactions.
Сепаратор, сепарирующее устройство - устройство, предназначенное для выделения из пылегазового потока мелкодисперсных частиц, газов и жидкости.Separator, separating device - a device designed to separate fine particles, gases and liquids from a dust and gas stream.
Питатель - устройство, содержащее бункер с исходным оксидным сырьем или источник газа и средства их подачи с заданной скоростью.Feeder - a device containing a hopper with an initial oxide feedstock or a gas source and means for supplying them at a given speed.
Оксидное сырье - минеральное и техногенное сырье, содержащее один или более окидов железа, никеля, кобальта различной валентности.Oxide raw materials - mineral and industrial raw materials containing one or more oxides of iron, nickel, cobalt of various valencies.
Энергетический блок - устройство для преобразования тепловой и химической энергии отходящего от печи газа в электрическую и тепловую энергию.An energy block is a device for converting the thermal and chemical energy of the gas leaving the furnace into electric and thermal energy.
Сажа, сажистый углерод, пироуглерод - дисперсный углерод с размером частиц 10-350 нм.Soot, carbon black, pyrocarbon - dispersed carbon with a particle size of 10-350 nm.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства, включающая продольное сечение дуговой печи с подачей природного газа и оксидного сырья по периферии электрода.The drawing shows a schematic diagram of a device, including a longitudinal section of an arc furnace with a supply of natural gas and oxide raw materials around the periphery of the electrode.
Устройство содержит электродуговую печь 10 с расположенным по оси печи верхним электродом 3, нижним подовым электродом 12, коаксиальным по отношению к электроду охлаждаемым трубопроводом 4, сливным устройством металла 13. В качестве верхнего электрода используют графитированный сплошной электрод. Охлаждаемый трубопровод, через который подают природный газ в восстановительный реактор 8, располагают по периферии электрода и размещают по отношению к дуговому разряду и электроду таким образом, чтобы природный газ, поступающий на зеркало расплава, нагревался до среднемассовой температуры, превышающей температуру пиролиза природного газа, как известно, 1000°С. На чертеже показан разрез печи с коаксиальным по отношению к электроду расположением трубопровода.The device comprises an electric arc furnace 10 with a top electrode 3 located along the axis of the furnace, a bottom hearth electrode 12, a cooled pipe 4 coaxial with respect to the electrode, and a metal drain device 13. A graphite solid electrode is used as the upper electrode. The cooled pipeline through which natural gas is supplied to the reduction reactor 8 is arranged on the periphery of the electrode and placed in relation to the arc discharge and the electrode so that the natural gas entering the melt mirror is heated to a mass-average temperature exceeding the pyrolysis temperature of natural gas, such as 1000 ° C is known. The drawing shows a section of a furnace with a coaxial in relation to the electrode arrangement of the pipeline.
Между расплавом 11 и верхним электродом 3 возбуждают дуговой разряд 9. Зеркало ванны расплава, боковые стенки и свод печи образуют восстановительный реактор 8. Свод печи посредством трубопроводов 7 соединен с устройством для охлаждения 6, которое, в свою очередь, посредством газовых трактов соединено с газовым коллектором 5. Устройство для охлаждения обеспечивает высокую скорость охлаждения продуктов реакций: 103-105°С/с. При скорости охлаждения меньше 103°С/с обратные реакции окисления углерода не предотвращаются. Обеспечить скорость охлаждения больше 105°С/с технически затруднительно (возможно только при использовании сверхзвуковых скоростей потока и сопла Лаваля). В качестве устройства для охлаждения используют теплообменник (щелевой, трубчатый).An arc discharge 9 is excited between the melt 11 and the upper electrode 3. The mirror of the melt bath, the side walls and the arch of the furnace form a reduction reactor 8. The furnace arch is connected via pipelines 7 to a cooling device 6, which, in turn, is connected to the gas path via gas paths collector 5. The cooling device provides a high cooling rate of reaction products: 10 3 -10 5 ° C / s. At a cooling rate of less than 10 3 ° C / s, reverse carbon oxidation reactions are not prevented. It is technically difficult to provide a cooling rate of more than 10 5 ° C / s (only possible with supersonic flow rates and a Laval nozzle). As a device for cooling, a heat exchanger (slotted, tubular) is used.
Оксидное сырье посредством питателя 2 и трубопровода 4 подают в расплав 11. Природный газ посредством питателей 1 и коаксиального трубопровода 4 подают в область дугового разряда 9, где температура газа и электрода составляет 2000°С и выше. К электродам печи от энергетического блока 19 подают электропитание 20. Энергетический блок для утилизации энергии отходящего от печи газа может включать паровой котел для производства пара высоких параметров как рабочего тела турбоэлектрогенератора, газовую турбину турбоэлектрогенератора и топливные элементы. Энергетический блок 19 вырабатывает электроэнергию 20 для питания дугового разряда электропечи и товарную тепловую энергию 25 для внешних потребителей посредством утилизации тепловой и химической энергии газа, отходящего от сепаратора 18, с которым энергетический блок соединен трубопроводом 21.The oxide raw material is supplied to the melt 11 through a feeder 2 and a pipe 4. Natural gas is supplied to the arc discharge region 9 through a feeder 1 and a coaxial pipe 4, where the temperature of the gas and electrode is 2000 ° C and higher. An electric power 20 is supplied to the furnace electrodes from the energy block 19. The energy block for utilizing the energy of the gas leaving the furnace may include a steam boiler for producing high-quality steam as a working fluid of a turboelectric generator, a gas turbine of a turboelectric generator and fuel cells. The energy block 19 generates electricity 20 to supply an electric arc arc discharge and commercial thermal energy 25 to external consumers by utilizing the thermal and chemical energy of the gas leaving the separator 18, to which the energy block is connected by a pipe 21.
Сепаратор 18 включает фильтрующие элементы 23. Сепаратор извлекает из газа воду 14, пыль 15, сажу 16 и углекислый газ 17. Сепаратор газовой магистралью 24 соединен с газовым коллектором печи 5. Для удаления из газа воды используют холодильник; для удаления пылевидных частиц размером 1-100 мкм и более (рудное сырье и металл) используют пылеуловители гравитационно-инерционного действия, рукавные фильтры; очистку газа от CO2 производят посредством хемосорбции водным раствором моноэтаноламина; для улавливания частиц пироуглерода размером 10-350 нм дополнительно используют электрофильтр.The separator 18 includes filter elements 23. The separator extracts water 14, dust 15, soot 16 and carbon dioxide 17 from the gas. The separator is connected to the gas manifold of the furnace 5 by a gas line 24; a refrigerator is used to remove water from the gas; to remove dusty particles with a size of 1-100 microns or more (ore raw materials and metal), dust collectors of gravitational inertial action, bag filters are used; gas purification from CO 2 is carried out by chemisorption with an aqueous solution of monoethanolamine; to capture particles of pyrocarbon with a size of 10-350 nm, an electrostatic precipitator is additionally used.
Устройство функционирует следующим образом. Вначале в восстановительный реактор 8 загружают металлическую «затравку». Между «затравкой» и электродом 3 возбуждают дуговой разряд 9. Устанавливают рабочие параметры установки: величину тока дуги, величину дугового промежутка, расход природного восстановительного газа от источника газа 1 через водоохлаждаемый коаксиальный трубопровод 4.The device operates as follows. Initially, a metal seed is charged into the reduction reactor 8. An arc discharge is excited between the “seed” and the electrode 3. The operating parameters of the installation are set: the value of the arc current, the value of the arc gap, the flow of natural reducing gas from the gas source 1 through a water-cooled coaxial pipe 4.
После наведения ванны расплава 11 в реактор 8 от питателя 2 через водоохлаждаемый трубопровод 4 на зеркало ванны расплава подают исходное оксидное сырье, которое посредством гравитационных, газодинамических и магнитных сил смешивается с расплавом. Природный газ на пути к зеркалу оксидного расплава в результате его нагрева дуговым разрядом до температуры пиролиза, как известно 1000°С, образует сажистый углерод и водород. Основным восстановительным агентом при этом является водород. Углерод природного газа, в результате его перехода в конденсированное состояние и образования нанодисперсного сажистого углерода со значительным уменьшением объема (объем углерода в конденсированной фазе примерно в 10000 раз меньше объема газа СН4), имеет малую вероятность взаимодействия с оксидным расплавом. Это приводит к тому, что в восстановительном процессе участвует незначительная доля углерода - около 10%, а основная его доля - до 90% выносится из реактора с отходящим газом в трубопровод 7. Отходящий из реактора газ включает помимо дисперсного углерода пары воды, метан, водород, углекислый газ, окись углерода и пылевидные частицы оксида и металла.After the melt bath 11 is guided into the reactor 8 from the feeder 2, the initial oxide feed is fed to the mirror of the melt bath through a water-cooled pipe 4, which is mixed with the melt by gravitational, gas-dynamic and magnetic forces. Natural gas on the way to the oxide melt mirror as a result of its heating by an arc discharge to the pyrolysis temperature, as is known, 1000 ° C, forms soot carbon and hydrogen. The main reducing agent in this case is hydrogen. The carbon of natural gas, as a result of its transition to a condensed state and the formation of nanosized black carbon with a significant decrease in volume (the volume of carbon in the condensed phase is approximately 10,000 times less than the volume of CH 4 gas), has a low probability of interaction with the oxide melt. This leads to the fact that an insignificant proportion of carbon is involved in the recovery process - about 10%, and its main share - up to 90%, is discharged from the reactor with exhaust gas to pipeline 7. The gas leaving the reactor includes, in addition to dispersed carbon, water vapor, methane, hydrogen , carbon dioxide, carbon monoxide and dust particles of oxide and metal.
Чтобы предотвратить окисление дисперсного углерода парами воды и углекислым газом, образующимися в результате восстановления металла, отходящий из восстановительного реактора 8 газ посредство трубопроводов 7 направляют в устройство для охлаждения 6, которое обеспечивает охлаждение газа со скоростью 103-105°С/с. В качестве устройства для охлаждения используют известные теплообменники щелевого или трубчатого типов. Как было отмечено выше, при скорости охлаждения меньше 103°С/с значительное количество сажистого углерода будет окисляться парами воды и углекислым газом, производить охлаждение со скоростью выше 105°С/с технически затруднительно (требуется использование сопла Лаваля и пр.).To prevent the dispersed carbon from being oxidized by water vapor and carbon dioxide resulting from the reduction of the metal, the gas leaving the reduction reactor 8 is sent via pipelines 7 to a cooling device 6, which provides gas cooling at a rate of 10 3 -10 5 ° C / s. As a cooling device, well-known slotted or tubular heat exchangers are used. As noted above, at a cooling rate of less than 10 3 ° C / s, a significant amount of carbon black will be oxidized by water vapor and carbon dioxide, it will be technically difficult to produce cooling at a rate above 10 5 ° C / s (using a Laval nozzle, etc.).
Отходящая из устройства для охлаждения пылегазовая смесь 24 поступает в сепарирующее устройство 18. Сепарирующее устройство включает фильтрующие элементы 23, предназначенные для выделения из газа и сбор соответствующих компонентов: воды - 14, пылевидных частиц размером 1-100 мкм и выше - 15, сажи с размером частиц 10-350 нм - 16 и углекислого газа - 17.The dust-gas mixture 24 leaving the cooling device enters the separating device 18. The separating device includes filtering elements 23 designed to separate from the gas and collect the corresponding components: water - 14, dust particles 1-100 μm in size and above - 15, soot with a size particles of 10-350 nm - 16 and carbon dioxide - 17.
Отходящий из сепарирующего устройства очищенный газ 21 состоит из водорода, метана и окиси углерода. Этот газ поступает в энергетический блок 19 (паровой котел, газовую турбину, топливный элемент) для выработки электрической и тепловой энергии. Произведенная электрическая энергия 20 подается на электроды 3 и 12 электропечи 10 для питания электрической дуги 9. Отходящий от энергетического блока газ 22 - пары воды и углекислый газ поступают в сепаратор 18 для их извлечения.The purified gas 21 leaving the separation device consists of hydrogen, methane and carbon monoxide. This gas enters the energy block 19 (steam boiler, gas turbine, fuel cell) to generate electrical and thermal energy. The generated electric energy 20 is supplied to the electrodes 3 and 12 of the electric furnace 10 to power the electric arc 9. Outgoing gas 22 from the energy block — water vapor and carbon dioxide enter the separator 18 to extract them.
Восстановленный металл как более тяжелая фракция расплава скапливается в нижней части восстановительного реактора печи и в виде металлического расплава, который периодически или постоянно сливается в приемник готового продукта 13.The reduced metal as a heavier fraction of the melt accumulates in the lower part of the reduction reactor of the furnace and in the form of a metal melt, which periodically or constantly merges into the receiver of the finished product 13.
Величину тока дуги устанавливают такой, чтобы обеспечивались термодинамически необходимые тепловые условия в реакционном объеме восстановительного реактора. Например, при восстановлении железорудного концентрата в медном водоохлаждаемом тигле удельный тепловой поток на зеркало ванны расплава должен составлять около 5 МВт/м, что, например, для кристаллизатора диаметром 100 мм соответствует величине тока 1200 А. При меньшем тепловом потоке железо не восстанавливается, при большем происходит чрезмерное испарение металла.The value of the arc current is set such that thermodynamically necessary thermal conditions are provided in the reaction volume of the reduction reactor. For example, when reducing iron ore concentrate in a copper water-cooled crucible, the specific heat flux to the melt pool mirror should be about 5 MW / m, which, for example, for a crystallizer with a diameter of 100 mm corresponds to a current value of 1200 A. With a lower heat flux, iron does not recover, with a larger excessive evaporation of the metal occurs.
Расход природного газ устанавливают на основе термодинамического расчета и экспериментальных данных. Например, расход природного газа с учетом его пиролиза составляет 400-600 м3/т восстановленного железа. При этом количество произведенного сажистого углерода составляет около 200 кг/т железа.The consumption of natural gas is established on the basis of thermodynamic calculation and experimental data. For example, the consumption of natural gas, taking into account its pyrolysis, is 400-600 m 3 / t of reduced iron. In this case, the amount of carbon black produced is about 200 kg / t of iron.
Чтобы обеспечить пиролиз природного газа, необходимо, как это сказано выше, нагреть газ за счет его взаимодействия с дугой до среднемассовой температуры, как известно, 1000°С и вше. Это достигается тем, что природный газ посредством трубопровода подают непосредственно в область расположения дуги, где температура плазмы дуги и электрода имеет величину 2000°С и выше. В этом случае происходит интенсивный теплообмен природного газа с дугой и электродом, и предотвращается образование пироуглерода на поверхности электрода (скорости отложения и сублимации пироуглрода равны).To ensure the pyrolysis of natural gas, it is necessary, as mentioned above, to heat the gas due to its interaction with the arc to the mass-average temperature, as is known, 1000 ° C and lice. This is achieved by the fact that natural gas is supplied through a pipeline directly to the region of the arc, where the plasma temperature of the arc and electrode is 2000 ° C and higher. In this case, intense heat exchange of natural gas with the arc and electrode occurs, and the formation of pyrocarbon on the electrode surface is prevented (the deposition and sublimation rates of pyrocarbon are equal).
Трубопровод для подачи природного газа располагают выше рабочего торца верхнего электрода на расстоянии от последнего 0,7-1,2 диаметра электрода. На этом расстоянии электрод имеет указанную температуру, т.е. 2000°С и выше. При расстоянии трубопровода от торца электрода меньше 0,7 диаметра возникает опасность переброса дуги на трубопровод; при расстоянии больше 1,2 диаметра - температура электрода ниже 2000°С и на его поверхности отлагается пироуглерод.The pipeline for supplying natural gas is located above the working end of the upper electrode at a distance from the last 0.7-1.2 diameter of the electrode. At this distance, the electrode has the indicated temperature, i.e. 2000 ° C and above. When the distance of the pipeline from the end of the electrode is less than 0.7 diameter, there is a danger of arc transfer to the pipeline; at a distance of more than 1.2 diameters - the temperature of the electrode is below 2000 ° C and pyrocarbon is deposited on its surface.
В свою очередь, диаметр электрода определяется по известным методикам, которые основаны на допустимой плотности тока в электроде и рабочей температуре торца электрода, обеспечивающей необходимый ток термоэмиссии. Эта температура составляет 3000-3500°С (см. А.Д.Свенчанский и др. Электрические промышленные печи, М., Энергоиздат, 1981 г. с.296).In turn, the diameter of the electrode is determined by known methods, which are based on the permissible current density in the electrode and the working temperature of the electrode end, which provides the necessary thermionic current. This temperature is 3000-3500 ° С (see A.D. Svenchansky et al. Electric industrial furnaces, M., Energoizdat, 1981, p. 296).
Таким образом, предлагаемое изобретение благодаря переводу углерода природного газа из газообразного соединения - метана в конденсированное состояние - сажу и ее утилизации позволяет:Thus, the present invention due to the conversion of carbon of natural gas from a gaseous compound - methane to a condensed state - soot and its utilization allows:
1) существенно сократить выброс в атмосферу угарного углекислого и парникового газов при производстве металлов группы железа из оксидного сырья с использованием в качестве восстановителя природного газа;1) significantly reduce the emission of carbon monoxide and greenhouse gases into the atmosphere during the production of iron group metals from oxide raw materials using natural gas as a reducing agent;
2) получать в процессе восстановления металлов группы железа природным газом дополнительный полезный продукт - сажу;2) to receive in the process of reducing metals of the iron group by natural gas an additional useful product - soot;
3) снизить себестоимость получаемого металла: при восстановлении железа его себестоимость снижается примерно в 2 раза за счет высокой цены дополнительного продукта - сажи (стоимость сажи примерно в 10 раз выше стоимости железа и составляет около 30000 руб./т);3) reduce the cost of the metal obtained: when reducing iron, its cost is reduced by about 2 times due to the high price of an additional product - soot (the cost of soot is about 10 times higher than the cost of iron and is about 30,000 rubles / t);
4) значительно упростить систему очистки отходящего из печи газа от СО и CO2 в результате резкого снижения содержания в нем окисидов углерода, извлечение которых из газа в больших объемах является сложной технической задачей.4) to significantly simplify the system for purifying the exhaust gas from the furnace from CO and CO 2 as a result of a sharp decrease in the content of carbon oxides in it, the extraction of which from gas in large volumes is a difficult technical task.
Изобретение может быть использовано на предприятиях металлургии и машиностроения для экологически чистого прямого получения железа, никеля, кобальта из дисперсного оксидного сырья с использованием в качестве восстановителя неконверсированного природного газа. Полученный дополнительный продукт - сажа используется в резинопризводящей и лакокрасочной промышленности.The invention can be used at the enterprises of metallurgy and mechanical engineering for environmentally friendly direct production of iron, nickel, cobalt from dispersed oxide raw materials using unconverted natural gas as a reducing agent. The resulting additional product, carbon black, is used in the rubber-driving and paint industry.
Промышленная применимость изобретения определяется также широким использованием в промышленности отдельных элементов изобретения, как это следует из описания устройства для осуществления предлагаемого способа восстановления металлов и приведенных аналогов, но в других сочетаниях и с другими техническими результатами.Industrial applicability of the invention is also determined by the widespread use in industry of individual elements of the invention, as follows from the description of the device for implementing the proposed method of metal recovery and the above analogues, but in other combinations and with other technical results.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007126401/02A RU2352643C1 (en) | 2007-07-12 | 2007-07-12 | Metal reduction method of iron group by natural gas and facility for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007126401/02A RU2352643C1 (en) | 2007-07-12 | 2007-07-12 | Metal reduction method of iron group by natural gas and facility for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2352643C1 true RU2352643C1 (en) | 2009-04-20 |
Family
ID=41017739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007126401/02A RU2352643C1 (en) | 2007-07-12 | 2007-07-12 | Metal reduction method of iron group by natural gas and facility for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2352643C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1455221A (en) * | 1973-03-30 | 1976-11-10 | Asea Ab | Method of melt reduction |
| RU2037524C1 (en) * | 1991-09-24 | 1995-06-19 | Александр Иванович Пустовойтенко | Method to produce metal by reduction |
| RU60936U1 (en) * | 2006-10-11 | 2007-02-10 | Ооо "Твинн" | DEVICE FOR DIRECT METAL RECOVERY |
-
2007
- 2007-07-12 RU RU2007126401/02A patent/RU2352643C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1455221A (en) * | 1973-03-30 | 1976-11-10 | Asea Ab | Method of melt reduction |
| RU2037524C1 (en) * | 1991-09-24 | 1995-06-19 | Александр Иванович Пустовойтенко | Method to produce metal by reduction |
| RU60936U1 (en) * | 2006-10-11 | 2007-02-10 | Ооо "Твинн" | DEVICE FOR DIRECT METAL RECOVERY |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТУЛИН Н.А. Развитие бескоксовой металлургии. - М.: Металлургия, 1987, с.77. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5873600B2 (en) | Nonferrous metallurgical slag processing method | |
| TWI846040B (en) | Silica to high purity silicon production apparatus and process | |
| IT201900008019A1 (en) | Method and system for the production of steel or cast materials containing iron with reduced emissions | |
| RU2190030C2 (en) | Method of production of magnesium | |
| WO2006110706A2 (en) | Process and apparatus using a molten metal bath | |
| US8043400B1 (en) | System and method for the thermal processing of ore bodies | |
| JPWO2012035611A1 (en) | Method and apparatus for recovering metal from furnace dust | |
| US4410358A (en) | Plasma recovery of tin from smelter dust | |
| RU2352643C1 (en) | Metal reduction method of iron group by natural gas and facility for its implementation | |
| CN113441536B (en) | Fly ash treatment system and fly ash treatment method | |
| CN113381059B (en) | Metal recovery device and method in waste ternary lithium battery based on plasma | |
| KR101494256B1 (en) | System for Recovering Valuable Metal | |
| CN114667428B (en) | Improved plasma-induced fuming furnace | |
| CN117916193A (en) | Plasma arc process and apparatus for producing fumed silica | |
| RU2056008C1 (en) | Method of and plasma plant for solid fuel reconditioning | |
| WO2021175406A1 (en) | Apparatus and process for thermal treatment of raw material containing lithium compounds and phosphorus compounds, method of recovering lithium and/or phosphorus from residue material of lithium-ion batteries | |
| TW202428513A (en) | Low carbon emission process for the production of silicon | |
| RU2170278C2 (en) | Method of production of primary aluminum and device for realization of this method | |
| JP3745996B2 (en) | Processing method of aluminum ash | |
| JPS62116730A (en) | Recovery of volatile metal valuables from metallurgical slag | |
| EP4529979A1 (en) | Process and reactor for generating thermal energy and base chemicals | |
| CN216011777U (en) | Plasma melting furnace for recycling waste catalyst | |
| RU2476599C2 (en) | Method for electric-arc liquid-phase carbon thermal reduction of iron from oxide raw material, and device for its implementation | |
| RU2476601C1 (en) | Method for electric-arc carbon-thermal reduction of iron from titanomagnetite so that metal product is obtained in form of powder and granules, and device for its implementation | |
| JPH11293352A (en) | Method and apparatus for recovering a metal by reducing and separating a metal source containing a plurality of types of metal oxides |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170713 |