RU2355775C2

RU2355775C2 - Method of direct metals reduction

Info

Publication number: RU2355775C2
Application number: RU2007105816/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Николаев (RU); Анатолий Владимирович Николаев; Игорь Анатольевич Леонтьев (RU); Игорь Анатольевич Леонтьев
Original assignee: Ооо "Твинн"
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2009-05-20
Also published as: RU2007105816A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to cokeless metallurgy, particularly it relates to manufacturing of blank by means of metals reduction from metallic oxideraw materials. Initial stock is preliminary reduced and supplied partially together with alloying addition and reducing agent into arc furnace. It is implemented its melting and finishing reduction, withdrawal of a finished product from electric furnace and its collection, cooling of thermally loaded parts of electric furnace and energy transformation of spent reagent into electric energy, directed to voltaic arc keeping. In the capacity of deoxidiser it is used natural gas. For prereduction of stock it is directed spent after finishing reduction gas. In the capacity of spent reagent for transformation into electricity it is used gas, effluent after prereduction of stock and steam of high energy parametres, received during the process of heat rejection from in the capacity of working medium of steam high-pressure turbine of electric generator, generating electricity, directed for keeping of voltaic arc.

EFFECT: heat energy utilisation of refrigerating fluid and usage of chemical and thermal energy of waste gas for prereduction of stock .

11 cl

Description

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к производству заготовки посредством восстановления металлов, не обязательно только железа, из металлсодержащего оксидного сырья, такого как дисперсные руды, частично восстановленные руды, рудные концентраты и металлсодержащие оксидные отходы, газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда.The invention relates to non-coke metallurgy, in particular to the production of a workpiece by reducing metals, not only iron, from metal-containing oxide raw materials, such as dispersed ores, partially reduced ores, ore concentrates and metal-containing oxide wastes, gaseous and dispersed reducing agents in plasma-chemical reactors, the fraction of energy that is introduced using an arc discharge.

Как известно, способ, в котором железо производится путем восстановления железосодержащей руды, минуя доменное производство, классифицируется как "способ прямого восстановления". Способы прямого восстановления металлов и соответствующие устройства на основе дуговых разрядов описаны в известной технической литературе («Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева». Под ред. Свенчанского А.Д., М. Энергоиздат, 1981 г., с.251, 247). Обычно исходное сырье подают в разряд плазмообразующего газа, осуществляют плавление и восстановление сырья, разделяют конечный продукт на шлак и металл и выводят их из объема дуговой печи. Отходящие после восстановления газы дожигают, очищают, охлаждают и выбрасывают в атмосферу, а хладагенты охлаждают и возвращают для повторного использования.As is known, a method in which iron is produced by reducing iron ore bypassing blast furnace production is classified as a “direct reduction method”. Methods of direct reduction of metals and corresponding devices based on arc discharges are described in the well-known technical literature ("Industrial Electric Furnaces. Arc Furnaces and Special Heating Units." Edited by AD Svenchansky, M. Energoizdat, 1981, p.251 , 247). Typically, the feedstock is fed into a plasma-forming gas discharge, the raw materials are melted and reduced, the final product is separated into slag and metal and removed from the volume of the arc furnace. The exhaust gases after recovery are burned, cleaned, cooled and released into the atmosphere, and the refrigerants are cooled and returned for reuse.

При этом велики затраты энергии на нагрев газовой среды, значительная часть которой безвозвратно теряется, несмотря на попытки ее повторного использования (RU №2037524), охлаждающими агентами уносится существенная доля вводимой в процесс тепловой энергии и требуются большие расходы различных реагентов. Вследствие сложной инфраструктуры и широкого диапазона параметров энергоносителей практически невозможно организовать эффективную утилизацию вторичных энергоресурсов - энергии газа и хладагента.At the same time, energy costs are high for heating the gaseous medium, a significant part of which is irretrievably lost, despite attempts to reuse it (RU No. 2037524), cooling agents carry away a significant portion of the thermal energy introduced into the process and require large expenses of various reagents. Due to the complex infrastructure and a wide range of energy parameters, it is practically impossible to organize the efficient utilization of secondary energy resources - gas and refrigerant energy.

В ряде случаев удается понизить затраты энергии и реагентов за счет точного выдерживания соотношения между количеством исходного сырья и реагентов, но тогда процесс становится многостадийным с соответствующим увеличением числа переделов, расхода энергии и удорожанием (RU №№2037524, 2213787, SU №1811539).In some cases, it is possible to reduce the energy and reagent costs by accurately maintaining the ratio between the amount of feedstock and reagents, but then the process becomes multi-stage with a corresponding increase in the number of redistributions, energy consumption and appreciation (RU No. 2037524, 2213787, SU No. 1811539).

Известен способ прямого восстановления железа, согласно которому отходящий после реакции восстановления газ используют в газовой турбине для выработки электрической энергии (RU №2225452). По этому способу полученную энергию направляют в установку получения кислорода и обеспечения реакции кислорода с углеводородной средой для получения синтез-газа. Недостаток известного способа заключается в том, что полученная электроэнергия используется в процессе восстановления металла не непосредственно, а для производства кислорода и синтез-газа с соответственно низким КПД.A known method of direct reduction of iron, according to which the exhaust gas after the reduction reaction is used in a gas turbine to generate electrical energy (RU No. 2225452). According to this method, the energy received is sent to an oxygen production unit and to ensure the reaction of oxygen with a hydrocarbon medium to produce synthesis gas. The disadvantage of this method is that the resulting electricity is not used directly in the metal reduction process, but for the production of oxygen and synthesis gas with a correspondingly low efficiency.

Все это не позволяет разработать экономичный дуговой восстановительный плазмохимический реактор с уровнем мощности, соответствующим требуемой производительности в металлургической промышленности.All this does not allow to develop an economical arc reducing plasma-chemical reactor with a power level corresponding to the required productivity in the metallurgical industry.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий предварительное восстановление исходной шихты, подачу частично восстановленной шихты вместе с легирующими присадками и восстановителем в дуговую электропечь, плавление и финишное ее восстановление, вывод готового продукта из электропечи и его сбор, охлаждение термически нагруженных частей электропечи и преобразование энергии отработанных реагентов в электрическую энергию, направляемую на поддержание дугового разряда («Развитие бескоксовой металлургии», под ред. Тулина Н.А., Майера К.М., Металлургия, 1987 г., с.77, 78). По этому способу предварительное восстановление мелкой руды (размер частиц руды не превышает 0,1 мм) осуществляют газифицированным мелким углем (менее 0,2 мм), а конечным продуктом процесса является чугун, для превращения которого в железо необходимы дополнительные переделы с соответствующими затратами. Отработанным реагентом, используемым для выработки электроэнергии, является отходящий из печи газ.The closest prototype of the present invention is a method of direct reduction of iron from dispersed ore raw materials, including preliminary restoration of the initial charge, supplying partially restored charge with alloying additives and a reducing agent to the electric arc furnace, melting and its final recovery, withdrawal of the finished product from the electric furnace and its collection, cooling thermally loaded parts of the electric furnace and the conversion of the energy of spent reagents into electrical energy directed to support of arc discharge ( "Development cokeless metallurgy", ed. Tulin NA, Mayer KM, Metallurgy, 1987, at p.77, 78). According to this method, the preliminary reduction of fine ore (the particle size of the ore does not exceed 0.1 mm) is carried out by gasified fine coal (less than 0.2 mm), and the end product of the process is cast iron, for the conversion of which into iron additional redistribution is necessary with corresponding costs. The spent reagent used to generate electricity is the exhaust gas from the furnace.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача повышения экономичности процесса прямого восстановления железа.The present invention solves the technical problem of increasing the efficiency of the direct reduction of iron.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в утилизации тепловой энергии хладагента и в использовании химической и тепловой энергии отработанного газа для предварительного восстановления шихты. Дополнительный результат заключается в использовании газа, отходящего после предварительного восстановления шихты, для создания рабочего тела паровой турбины высокого давления и для поддержания дугового разряда посредством преобразования его энергии в электрическую.The technical result achieved by the invention is to utilize the thermal energy of the refrigerant and to use the chemical and thermal energy of the exhaust gas for preliminary recovery of the charge. An additional result is the use of gas leaving after preliminary reduction of the charge to create a working fluid of a high pressure steam turbine and to maintain an arc discharge by converting its energy into electrical energy.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе прямого восстановления металлов из дисперсного рудного сырья, включающем предварительное восстановление исходной шихты, подачу частично восстановленной шихты вместе с легирующими присадками и восстановителем в дуговую электропечь, плавление и финишное ее восстановление, вывод готового продукта из электропечи и его сбор, охлаждение термически нагруженных частей электропечи, для восстановления используют природный газ, для предварительного восстановления шихты направляют отработанный после финишного восстановления газ, в качестве отработанных реагентов применяют газ, отходящий после предварительного восстановления шихты, и пар высоких энергетических параметров, получаемый в процессе отвода тепла от термически нагруженных узлов электропечи, который используют в качестве рабочего тела паровой турбины высокого давления электрогенератора, а электрическую энергию направляют на поддержание дугового разряда.The essence of the invention lies in the fact that in the method of direct reduction of metals from dispersed ore raw materials, including preliminary restoration of the original charge, the supply of partially restored charge with alloying additives and a reducing agent in an electric arc furnace, melting and its final recovery, the output of the finished product from the electric furnace and its collection, cooling of thermally loaded parts of the electric furnace; natural gas is used for recovery; gas after the final reduction, the exhaust gas used after preliminary reduction of the charge and high-energy vapor obtained during heat removal from thermally loaded electric furnace units, which are used as the working fluid of a high-pressure steam turbine of an electric generator, are used as waste reagents. energy is directed to maintain an arc discharge.

Кроме того, отходящий после предварительного восстановления газ, газы после промежуточных ступеней утилизации и восстановительный газ от источника природного газа используют для подогрева пара и/или питательной воды в паровом котле, а смесь газов подводят к газовой турбине электрогенератора.In addition, exhaust gas after preliminary reduction, gases after intermediate stages of utilization, and reducing gas from a natural gas source are used to heat steam and / or feed water in a steam boiler, and the gas mixture is supplied to the gas generator’s turbine.

Способ реализуется следующим образом. Шихту расплавляют и восстанавливают в дуговой электропечи, запуская процесс одним из известных способов, например, размещая «затравку» на средстве сбора готового продукта и возбуждая дуговой разряд в атмосфере природного газа, затем отработанный после финишного восстановления газ направляют для предварительного восстановления шихты, а процесс отвода тепла от термически нагруженных узлов электропечи используют для получения пара высоких энергетических параметров, который является по существу первым отработанным реагентом, используемым в настоящем изобретении и с помощью которого электрогенератором с паровой турбиной высокого давления вырабатывают электроэнергию, используемую для поддержания дугового разряда.The method is implemented as follows. The mixture is melted and restored in an electric arc furnace, starting the process using one of the known methods, for example, placing a “seed” on the means for collecting the finished product and initiating an arc discharge in a natural gas atmosphere, then the gas exhausted from the final reduction is sent for preliminary reduction of the mixture, and the removal process heat from thermally loaded nodes of an electric furnace is used to produce a pair of high energy parameters, which is essentially the first spent reagent using by the present invention and by means of which an electric generator with a high-pressure steam turbine generates electricity used to maintain an arc discharge.

Природный газ подводят непосредственно в реакционный объем дуговой электропечи, предотвращая его пиролиз и избегая необходимости его предварительной конверсии, одним из способов, описанным в литературе (А.В.Николаев, А.А.Николаев. Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энергометаллургического комплекса. Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. 1999 г. с.276, 277, рис.1a, RU №2093585).Natural gas is fed directly into the reaction volume of the electric arc furnace, preventing its pyrolysis and avoiding the need for its preliminary conversion, using one of the methods described in the literature (A.V. Nikolaev, A.A. Nikolayev. Plasma-arc reduction furnaces in the structure of the energy metallurgical complex. Proceedings of the Fifth Steelmakers Congress. 1999, p. 276, 277, fig. 1a, RU No. 2093585).

Отходящий газ в настоящем изобретении получают после пропускания отработанного газа через исходную шихту одновременно с ее частичным восстановлением. Этот газ по существу является другим отработанным реагентом и используется для получения пара высоких энергетических параметров в паровом котле и/или по аналогии с прототипом - для выработки электроэнергии в газовой турбине электрогенератора.The off-gas in the present invention is obtained after passing the exhaust gas through the initial charge simultaneously with its partial reduction. This gas is essentially another spent reagent and is used to produce high energy parameters in a steam boiler and / or, by analogy with the prototype, to generate electricity in a gas turbine of an electric generator.

Предложено несколько вариантов получения пара высоких энергетических параметров и использования энергии отходящего после предварительного восстановления шихты газа.Several options have been proposed for producing a pair of high energy parameters and using the energy of the off-gas after preliminary reduction of the gas mixture.

В первом варианте пар высоких энергетических параметров образуют непосредственно в системе охлаждения термически нагруженных узлов электропечи путем задания соответствующих скорости движения хладагента и давления в системе. Дополнительно пар высоких энергетических параметров получают путем нагрева питательной воды в паровом котле сжиганием газа, отходящего после предварительного восстановления шихты.In the first embodiment, pairs of high energy parameters are formed directly in the cooling system of thermally loaded components of the electric furnace by setting the appropriate speed of the refrigerant and the pressure in the system. In addition, steam of high energy parameters is obtained by heating feed water in a steam boiler by burning gas that leaves after the preliminary recovery of the charge.

Во втором и третьем вариантах изобретения пар высоких энергетических параметров получают из отведенного из системы охлаждения водяного пара низких энергетических параметров путем сжигания в паровом котле газа, отходящего после предварительного восстановления шихты, причем для более полного использования энергии газа в процессе нагрева водяного пара к нему предлагается добавлять питательную воду котла, или путем использования тепловой энергии отходящего газа в теплообменнике с получением дополнительного пара высоких энергетических параметров путем нагрева питательной воды парового котла сжиганием газа, отходящего от теплообменника.In the second and third embodiments of the invention, steam of high energy parameters is obtained from low energy parameters discharged from the water vapor cooling system by burning gas in the steam boiler, which is discharged after preliminary reduction of the charge, moreover, it is proposed to add gas to it to more fully utilize gas energy in the process of heating water vapor boiler feed water, or by using the thermal energy of the exhaust gas in a heat exchanger to produce additional high-energy steam x parameters by heating the feed water of the steam boiler by burning gas leaving the heat exchanger.

В четвертом варианте изобретения в качестве хладагента в системе охлаждения электропечи применяют жидкий металл и пар высоких энергетических параметров получают путем передачи тепловой энергии жидкого металла питающей воде, подводимой к теплообменнику. Дополнительно пар высоких энергетических параметров получают путем нагрева питательной воды парового котла сжиганием газа, отходящего после предварительного восстановления шихты.In a fourth embodiment of the invention, liquid metal is used as a refrigerant in a cooling system of an electric furnace, and high-energy steam is obtained by transferring thermal energy of a liquid metal to feed water supplied to a heat exchanger. In addition, steam of high energy parameters is obtained by heating the feed water of the steam boiler by burning gas, leaving after the preliminary restoration of the charge.

При необходимости увеличения мощности энергетической части процесса во всех вариантах к газу, отходящему после предварительного восстановления шихты, подмешивают природный газ.If it is necessary to increase the power of the energy part of the process in all cases, natural gas is mixed with the gas leaving after preliminary reduction of the charge.

В пятом варианте изобретения часть смеси, состоящей из газа, отходящего после реакции предварительного восстановления, и природного газа, подводят к газовой турбине электрогенератора. В этом варианте мощность энергетической части процесса ограничена только возможностями источника природного газа.In a fifth embodiment of the invention, a part of the mixture consisting of the gas leaving the pre-reduction reaction and natural gas is fed to a gas turbine of an electric generator. In this embodiment, the power of the energy part of the process is limited only by the capabilities of the source of natural gas.

Применение пара высоких энергетических параметров в качестве рабочего тела паровой турбины высокого давления, соединенной с электрогенератором, позволяет с высокой эффективностью преобразовать тепловую энергию, накопленную в термически нагруженных узлах электропечи, в электрическую энергию на поддержание дугового разряда той же электропечи. Неизбежные потери энергии связаны с реальным КПД паровой турбины и электрогенератора, с теплоотдачей в окружающее пространство соединительных трубопроводов, которая может быть минимизирована при конструировании устройства, и выносом тепла водой после паровой турбины. Однако и эти потери можно существенно снизить путем повторного использования или реализации горячей воды сторонним потребителям.The use of a pair of high energy parameters as the working fluid of a high-pressure steam turbine connected to an electric generator allows high-efficiency conversion of the thermal energy stored in thermally loaded nodes of an electric furnace into electrical energy to maintain an arc discharge of the same electric furnace. The inevitable energy losses are associated with the real efficiency of the steam turbine and electric generator, with heat transfer to the surrounding space of the connecting pipelines, which can be minimized during the design of the device, and the heat transfer from the water after the steam turbine. However, these losses can be significantly reduced by reusing or selling hot water to outside consumers.

Природный газ является одним из эффективных восстановителей и наиболее доступным. Способ плазменно-дугового восстановления металлов природным газом надежен в работе и позволяет создать простые по конструкции восстановительные печи, так как исключает подготовительные операции, необходимые при использовании, например, синтез-газа или угля. Возможность реализации восстановительной части предлагаемого способа была проверена при восстановлении дисперсной руды с использованием в качестве восстановителя метана (аналога природного газа). Был осуществлен непрерывный процесс восстановления при мощности дуги 70 кВт с получением железа в виде слитка диаметром 100 мм при содержании примесей в металле менее 0,5%.Natural gas is one of the most effective reducing agents and the most affordable. The method of plasma-arc reduction of metals by natural gas is reliable in operation and allows you to create a simple design reduction furnaces, as it eliminates the preparatory operations necessary when using, for example, synthesis gas or coal. The possibility of implementing the reducing part of the proposed method was tested when recovering dispersed ore using methane (an analogue of natural gas) as a reducing agent. A continuous reduction process was carried out at an arc power of 70 kW to produce iron in the form of an ingot with a diameter of 100 mm with an impurity content of less than 0.5% in the metal.

Так как природный газ подают в количествах, превышающих стехиометрически необходимое для проведения финишного восстановления шихты в камере дуговой электропечи, то выходящий из камеры отработанный газ (точнее - смесь газов) обладает значительным восстановительным потенциалом и при этом сильно нагрет. Например, при восстановлении железорудного сырья метаном количество отходящего газа, состоящего из моно- и двуокиси углерода, метана, водорода и паров воды, составляет около 0,6 м³/кг железа. Его температура составляет 500-700°С. Это обычно создает проблемы с его охлаждением и преобразованием в газы, допустимые для выброса в атмосферу. Использование отработанного газа для предварительного восстановления шихты, снижая остроту указанных проблем, подготавливает шихту к стадии финишного восстановления, одновременно уменьшая требуемое для ее проведения количество природного газа.Since natural gas is supplied in amounts exceeding the stoichiometrically necessary for the final recovery of the charge in the chamber of the electric arc furnace, the exhaust gas leaving the chamber (more precisely, a mixture of gases) has significant reducing potential and is very hot. For example, when reducing iron ore raw materials with methane, the amount of exhaust gas consisting of carbon monoxide and dioxide, methane, hydrogen and water vapor is about 0.6 m ³ / kg of iron. Its temperature is 500-700 ° C. This usually creates problems with its cooling and conversion into gases, permissible for emission into the atmosphere. The use of exhaust gas for preliminary recovery of the mixture, reducing the severity of these problems, prepares the mixture for the stage of final recovery, while reducing the amount of natural gas required for its implementation.

Таким образом, предлагаемым изобретением за счет применения природного газа в качестве восстановителя и производства пара высоких энергетических параметров удается наиболее полно решить задачу утилизации вторичных энергоресурсов - отработанного и отходящего газов и тепловой энергии хладагента. Конечным результатом является повышение экономичности процесса прямого восстановления железа.Thus, the proposed invention through the use of natural gas as a reductant and the production of steam with high energy parameters, it is possible to most fully solve the problem of recycling secondary energy resources - exhaust and exhaust gases and thermal energy of the refrigerant. The end result is an increase in the efficiency of the direct reduction of iron.

Подключение газовой турбины электрогенератора к источнику смеси природного и отходящего газов и отведение отработанных газа и тепла сторонним потребителям позволяет не только замкнуть в пределах устройства процесс восстановления металла и все процессы его обеспечения, сделав устройство независимым от внешних источников электрической энергии, но и обеспечить электроэнергией, теплом и газом инфраструктуру производства.Connecting a gas turbine of an electric generator to a source of a mixture of natural and exhaust gases and removing exhaust gas and heat to external consumers allows not only to close the metal recovery process and all its support processes within the device, making the device independent of external sources of electric energy, but also to provide electricity, heat and gas production infrastructure.

Паром высоких энергетических параметров принято считать пар при давлении около 100 ата и выше и температуре около 500°С и выше (Дойников Н.М. и др. Машиноведение. Учебное пособие для студентов физ.-мат. факультетов педагогических факультетов. ГУ-ПИ. М., 1959 г., стр.126).Steam with high energy parameters is considered to be steam at a pressure of about 100 atmospheres and above and a temperature of about 500 ° C and above (Doinikov N.M. et al. Machine Science. A manual for students of physics and mathematics faculties of pedagogical faculties. GU-PI. M., 1959, p. 126).

Claims

1. A method for the direct reduction of metals from dispersed ore raw materials, including preliminary reduction of the initial charge, supply of partially reduced charge, together with alloying additives and a reducing agent, to the electric arc furnace, melting and its final recovery, removal of the finished product from the electric furnace and its collection, cooling of thermally loaded parts electric furnaces and the conversion of the energy of the spent reagents into electrical energy directed to maintain an arc discharge, characterized in that as natural gas is used for the reducing agent, for the preliminary recovery of the charge, the gas used after the final recovery is sent, as the spent reagents for conversion to electricity, gas is used, which is exhausted after the preliminary recovery of the mixture and high energy parameters steam, obtained in the process of heat removal from thermally loaded electric furnace units, which then used as a working fluid of a high-pressure steam turbine of an electric generator generating electric energy aimed at maintaining an arc discharge.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pairs of high energy parameters form directly in the cooling system of thermally loaded nodes of the electric furnace.

3. The method according to claim 2, characterized in that an additional pair of high energy parameters is obtained by heating the feed water in a steam boiler by burning gas, leaving after the preliminary restoration of the charge.

4. The method according to claim 1, characterized in that the steam of high energy parameters is obtained from the low energy parameters discharged from the water vapor cooling system by burning gas from the steam boiler after preliminary reduction of the charge, or by using the heat energy of the exhaust gas in the heat exchanger.

5. The method according to claim 4, characterized in that in the process of heating water vapor, boiler feed water is added to it.

6. The method according to claim 1, characterized in that the high energy parameters steam is converted from the low energy parameters extracted from the water vapor cooling system by using the heat energy of the exhaust gas in the heat exchanger.

7. The method according to claim 6, characterized in that an additional pair of high energy parameters is obtained by heating the feed water of the steam boiler by burning gas leaving the heat exchanger.

8. The method according to claim 1, characterized in that liquid metal is used as a refrigerant in the cooling system of the electric furnace, and high energy parameters are obtained by transferring the thermal energy of the liquid metal to the supply water supplied to the heat exchanger.

9. The method according to claim 8, characterized in that an additional pair of high energy parameters is obtained by heating the feed water of the steam boiler by burning gas, leaving after the preliminary restoration of the charge.

10. The method according to one of claims 3 to 5 or 7, 9, characterized in that natural gas is mixed into the gas leaving after preliminary reduction of the charge or from the heat exchanger.

11. The method according to claim 10, characterized in that a part of the mixture consisting of gas leaving the pre-reduction reaction and natural gas is supplied to the gas turbine of the electric generator.