CS224640B2 - Device for direct reduction of iron axide on metallic iron - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro přímou redukci kysličníků železa na kovové železo.

Přímá redukce kysličníků železa, například ve formě sbalků nebo kusové rudy, na kovové železo v pevné fázi se v posledních létech stala reálně použitelnou výrobní možnnoSÍ v řadě zařízení v celém světě. Celková roční kapaacta těchto zařízení, která jsou v současné době v provozu nebo ve výstavbě, převyšuje 15 mil. tun vyrobeného přímo redukovaného železa, kterého se používá především jako suroviny v elektrických obloukových ocelářských pecích. Světová poptávka po větším mmnžssví železa vyrobeného přímou redukcí se bude pravděpodobně zvětšovat . značnou měrou po řadu následujících let, aby se usppooojla vzrůssaaící světová potřeba suroviny v důsledku výstavby neustále nových elektrcckých obloukových ocelářských pecí.

Většina zařízení vyrábějících železo přímou redukcí používá jako zdroje redukovadel zemního plynu. Zemní plyn, se reformuje, aby vznikla reďukovadla CO a H?· Z energetického hlediska nejúčinnější a ne jproduktivně^jší přímá redukční zařízení, pracující na bázi zemního plynu, jsou zařízení, kde se provádí kontinuální katalytccké reformování zemního plynu, při němž se používá jako reformujících oxidačních činidel CO₂ ' a zbytková vodní pára, v ochlazeném recyklovaném odpadním redukčním plynu z redukční pece.

Je dobře známé, že při katalytické reformaci zemního plynu je podstatné udržovat v plynné směěi určené k reformování co nejnižší obsah síry, aby se za^i^í^r^ilo otrávení katalyzátoru sírou. Maximáání obsah síry, který se dá tolerovat při reformování, aniž by docházelo k otrávení katalyzátoru, je přibližně 2 až 3 ppm obj· ' v plynné směsi určené k reformování. K dosažení tak malého obsahu síry bývá často třeba provádět složité a nákladné o^s^fření plynu dřív,než se ho dá použžt jako provozního paliva.

Koksárenský plyn je k dispozici jako palivo téměř ve věech průmyslových zemích celého světa. Koksárenský plyn věak obsahuje některé·složky s, obsahem síry, jako je karbonylsulfid COS a thiofen.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení k přímé redukci kysličníků železa ve svislé šachtové · peci s násypkou k přivádění kusového kysličníoového matteiálu do horní čássi redukční pece k vytvoření zavážky a s výptiusf k odebírání vyrobeného kovového železa z dolní iássi redukční pece, iímž vzniká spcoitý gravitační pohyb zavážky v redukční peci, do které ústí uprostřed výšky první přívod redukčního plynu a nad ním druhý přívod redukčního plynu a ze které vystupuje na horním konci vypouštěcí trubka zreagovaného plynu spojená s prop^acím chladičem, přčeemž s oběma přívody redukčního plynu do redukční pece je spojen · výstup reformovací pece s reformovacími trubkami, obseanuícími katalyzátor k vytvoření plynných redukčních látek a do druhého přívodu redukčního plynu ústí přívodní trubka topného provozního plynu spojená se zdrojem provozního plynného paliva podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že reformovací pec obsahuje alespoň jeden hořák, k zahřívání reformo vacích trubek, obsah^ících katalyzátor a kouřovou trubku k odvádění kouřových plynů spojenou s tepelným výměníkem, který je rovněž napojen na přívodní trubku topného provozního plynu pro průchod a předehřívání topného plynu v tepelném výměnnku.

Vynález představuje zlepšení pochodu přímé redukce, při kterém se provozní palivo před vpuštěním do reformační pece zbawuje síry v redukční peci tím, že síra reaguje s horkým, přímo redukovaným železem. Síra v provozním palivu se převádí do železa během redukce, což umooňuue, že v procesním palivu lze přip^Ht obsah síry až 400 ppm obj<, aniž by še vyrobené, přímo redukované železo obcoh^^ nežádoucím obsahem síry. Dessufurace provozního paliva in šitu umooňuje při přímé redukci železa p^uití provozních p^iv, která-se dají velice obtížně zbavovat síry mimo pec, například koksárenského plynu nebo zemíího plynu obseaihuících organické sloučeniny síry.

P4 shora zmíněném postupu se předehřívá provozní plyn v předehříváku, a odpadní vysokopecní plyn se reformuje na redukční plyn v reformovací peci. Podle vynálezu se odsiřuje odpadní vysokopecní plyn tím, že se vede chladicím pásmem jako chladicí plyn, a provozní plyn se předehřívá nepřímou výměnou tepla s kouřovými plyny z reformační pece. Důsledkem těchto opatření je velice úsporný způsob, pokud jde o palivo.

Zařízení pro přímou redukci železa se obzvláště dobře hodí pro p^i^Uít-í plynných provozních paaiv s obsahem organických sloučenin síry.

Vynález bude vysvětlen v s^i^uvs^lc^fl^si s příklady provedení znázorněnými na výkrese, kde obr,. 1 značí výhodné provedení zařízení a obr. 2 alternativní provedení takového za zařízení.

Obr. 1 · znázorňuje redukční pec 10 orstOpouudovéhs šachtového typu se žárovzdornou vyzdívkou. Vsázková surovina 12 z kysličníků železa ve formě sbalků, kusové rudy nebo sbalků a kusové rudy, s jmenoovtou velikostí čááHc v rozmezí 5 až 30 mm, se přivádí do násypky 14 a do redukční pece 10 troubou 14 a vytvoří v redukční peci 10 zavážku 17. Vyrobené přímo redukované železo ve formě kusů se odebírá z dolní čáási redukční pece 10 výpuusí 18 a spadává na odváděči·dopravník £0, jehož rychlost reguluje rychlost poklesu zavážky 17 v redukční peci JO.

Střední čáslt redukční pece 10 je opatřena přívodním potrubím 22 redukčního plynu, které vede do velkého počtu vstupních otvorů 24 · v žárovzdor^^é stěně redukční pece JO.· Dále je redukční pec 10 opatřena přiváděcím potrubím 26 horkého předredukčního plynu, které ústí do · horních vstupních otvorů 28 ležících nad vstupními otvory ££. Horký předredukční plyn, který seetává ze směsi horkého reformovaného redukčního plynu a horkého provozního paliva, zaváděný horními vstupními otvory £8, proudí nejprve doo^to a pak nahoru v p^j^oíproudu ke kLen^a^ící zavážce JJ. Horký redukční plyn ze vstupních otvorů 24 vyplňuje během proudění nahoru nejprve celý průřez zavážky 17 a potom se nucené sbíhá ve střední části zavážky 17 přibližně ve výši, horních otvorů 28 následkem toho, že horními vstupními otvory 28 přichází proud horkého předredukčního plynu. V horní části redukční pece 10 se oba plynné proudy směšují a vyplňují celý průřez zavážky 17. ze které vystupují v úrovni 30 a opouštějí redukční pec 10 vypouštěcí trubkou 32 vysokopecního plynu. Tento vysokopecní plyn je tvořen směsí spotřebovaného redukčního plynu a provozního plynného paliva.

Dolní část redukční pece 10 je opatřena plynným chladicím okruhem ke chlazení vyrobeného železa před jeho vypouštěním.

Vysokopecní plyn opouštějící redukční pec 10 vypouštěcí trubkou 32 se chladí a zbavuje prachu v propíracím chladiči 34 a odvádí se potrubím 36. Potom se dělí na dva proudy: první proud ochlazeného vysokopecního plynu proudí do chladicího plynového okruhu trubkou je· Chladicí plynový okruh obsahuje dmychadlo 40 zapojené v trubce 38 chladicího plynového okruhu, přívodní trubku 42 chladicího plynu, která vede do rozváděče 44 chladicího plynu uvnitř redukční pece 10, sběrač 46 chladicího plynu, umístěný nad rozváděčem 44 uvnitř redukční pece 1 0, dále vypouštěcí trubkou 48 chladicího plynu a vnější propírací chladič 50. Ochlazený a vyčištěný plyn opouští vnější propírací chladič 50 trubkou 51. potom se přivádí do velkého počtu reformovacích trubek 52 z tepelně odolné slitiny, z nichž je na obr. 1 znázorněna jediná. Každá reformovací trubka 52 je naplněna na kraji žárovzdornou náplní a zbývající největší část vyplňuje niklový nebo kobaltový reformovací katalyzátor 54« Reformovací trubky 52 jsou uzavřeny v reformovací peci 56 se žárovzdornou vyzdívkou, opatřené velkým počtem hořáků .58,z nichž je rovněž znázorněn pouze jediný. Kouřová trubka 60 odvádí spaliny z reformovací pece 56. část ochlazeného vysokopecního plynu do potrubí 36 se společně s palivem z vnějšího zdroje 62 přivádí do každého hořáku 58 trubkou 64. Kouřová trubka 60 je spojena se dvěma tepelnými výměníky 66. 68 zapojenými za sebou. Trubka 70. která prochází tepelným výměníkem 66, spojuje zdroj 72 spalovacího vzduchu s hořákem 58. Provozní plynné palivo ze zdroje 75 prochází tepelným výměníkem 68. Zahřátý provozní topný plyn se přivádí do redukční pece 10 trubkami 82., 84 a přiváděcím potrubím 26 předredukčního plynu.

První, obvykle větší část horkého plynu opouštějícího reformovací trubky 52 se přivádí do přívodního potrubí 22 redukčního plynu jako horký reformovaný redukční plyn přes přívodní trubky 87, 90.· Druhá, obvykle menší část horkého plynu opouštějícího reformovací trubky 52 prochází trubkou 92 a ventilem 94. potom se smíchává se zahřátým provozním topným plynem v přívodní trubce 84. a tato směs pak tvoří horký předredukČní plyn, přiváděný do redukční pece 10 přiváděcím potrubím 26.

Teplota provozního topného plynu musí být alespoň kolem 600 °C. Provozní topný plyn se musí zahřát na tak vysokou teplotu, aby jeho směs s horkým reformovaným redukčním plynem měla dostatečně vysokou teplotu к provedení přímé redukce kysličníků železa.

Podle vynálezu se provozní topný plyn s obsahem síry, například koksárenský plyn, zemní plyn nebo vysokopecní plyn, mísí s horkým reformovaným redukčním plynem na redukční plynnou směs. Tato směs se pak zavádí do redukčního pásma redukční pece 10 jedinou výfučnou nebo soustavou výfučen. Tento postup se dá provádět v zařízení podle obr. 1 a 2 pouhým uzavřením ventilu 100 v přívodní trubce 84»

Při odsiřování topného plynu jako je zemní plyn, vysokopecní nebo koksárenský plyn existuje několik dobře propracovaných způsobů к odstraňování sirovodíku v jediném desulfuračním pochodu. Naproti tomu odstraňování karbonylsulfidu a organických sloučenin síry jako je thiofen (C^H^S) vyžaduje použití komplikovaných a nákladných několikastupňových odsiřovacích pochodů к hydrogenací a převedení sloučenin síry na sirovodík, jenž se pak dá odstranit.

Nedávno bylo objeveno, že karbonylsulfid a organické sloučeniny síry se dají odstranit z plynů reakcí s horkými přímo redukovanými železnými sbalky v přítomnosti vodíku. Přímo redukované železo neodstraňuje při nízkých teplotách tyto sloučeniny síry, avšak je účinné při te^plotách kolem asi 700 °C a vyšší. ^přesný mechanismus tototo odstraňoval sír^y není známý, předpokládá se však, že horké, přímo . redukované železo se stává účinným katalyzátorem ke konvee^zacl těchto sloučenin síry v příoomtioosi vodíku na sirovodík, který pak chemicky reaguje s železem. Ve všech případech se síra přenáší z plynu do přímo redukovaného železa.

V důsledku toho se plynná směs přiváděná do přiváděcího potrubí 26 musí ohřát asi na 7⁰⁰ °^C к odstranění sír^y. Obvykle se ^dévá ^etoost ješ^tě v^yšším te^plo^áám, protože ^pro přímou reakci tyslič^^ ^železa je ^potře^bí te^plota alespo^ň 8M °C. Někter^é s^bal^ky se sle^pují ^při teplotě 8⁰⁰ °C, takže se muuseí redutovat ^při nižštob te^plot^ách. ^praktl.c^ká dol^ mez te^plot^y v ptívotaím potrubí 22 je toty 750 °C.

V následujícím textu je uveden kontaktní příklad použití koksárenského plynu s obsahem síry jako provozního topného plynu· Moožst^dí síry v koksárenskta plynu v tomto případě je 200 ppm ob;·, což je běžný obsah dosažitelný jednoduchým jednostupňovým desulfuračním pochodem. Plyn s takovým obsahem síry je sice ne^c^uužitel^ný jako provozní palivo pro reformován, je však velmi vhodný jako palivo pro hořák.

V konkrétním příkladě podle vynálezu se horký redukční plyn z reformovacích trubek přivádí do re^lcční ^pece . 10 ^přívodní trubkou 22 o teplotě asi 9⁰⁰ °C. Hor^ký j^e^e^kční plyn, což · je směs plynu s teplotou 900 °C z reformovacích trubek 52 a koksárenského plynu· o toploto 75⁰ °^C z ^pelnébo výměník 68, se přivři ^do reto^ní pece 10 pMvádlěcím potru^bím 2⁶ a má teplotu asi ⁸00 °C. Konntrutoe retoWní pece ¹⁰ zaaišluje ^do^bu proto ev^y zavá^žky 17 asi 4 hodiny od úrovně 30 k horním vstupním otvorům 28 a 6 . hodin od úrovně 30_ ke vstupním otvorům 24. To zaaišluje vysoký stupeň přímé redukce kysliCníků železa na kovové železo v předredukčním pásmu nad horními vstupními otvory .28, načež konečná přímá redukce probíhá v ředukčním pásmu mezi vstupními otvory 24 a horními vstupními otvory 28.

V předredukčním pásmu redukční činidla CO a η, v horkém předredukčním plynu a v horkém redukčním plynu, které proudí nahoru z výsledného redukčního pásma, redukuj kysličníky železa ve vsázkové surovině 12 na asi 94 %. Na základě laboratorních zkoušek a praktických zkušenoosí lze říci, že methan příoomný v předredukčním plynu z koksárenského plynu nekra^.je nija^k významně ^během svého ^pi*ů^cho^du ^etoedu^ním ^pásmem ^při tohoto ⁸°0 °C, ^oto^e v plynu je jii přítomen vodík. Spotřebovaný redukční plyn nebo vysokopecní plyn vystuppjcí ze zavážky 17 v úrovni 30 a z vypouětěcí trubky 32 obsahuje nezreagovaná redukční činidla CO a Η», oxidační OO_g a vodní páru vznilkajjcí při redukC, a methan. V propíracím chladiči 34.vysokopecního plynu se větší část vodní páry . kondenzuje. Největší část odvodněného a vyčištěného vysokopecního plynu, ě^ycházející z propíracího chladiče 34. se vede trubkou 38 chladicího plynového okruhu do dmmchadla 40 a odtud do chladicího pásma přes rozváděč 44 chladicího plynu. Chladicí plyn. proudí nahoru při protiproudové výměně tepla s klesaaící zavážkou 17 z kovového železa a ochlazuje železe v poddtatě na okolní teplotu . dřív než vyjde vypouutěcí trubkou 48 chladicího plynu. Postupně klesající kovové železo reaguje se sirovodíkem, který je případně obsažen v chladicím plynu bud jako zbytkový sirovodík z provozního topného plynu, nebo jako sirovodík uvolněný v prvních fázích redukce kysličníků železa obsahnuících síru, a účinně zbavuje plyn síry.

Oddířený plyn se chladí a čistí v propíracím chladdči 50. a tvoří plynnou směs, která je vhodná k reformování v reformovacích trubkách .52, čímž vznikne horký čerstvý·redukční plyn. V reformovacích trubkách · 52 kysličník.uhličitý a zbytková vodní pára v ochlazeném · a vyčištěném vysokopecním plynu slouží jako reformační oxidační činidla pro methan.

Nááseedjcí tabulky udá^^í výsledky rozsáhlé analýzy. Údaje z tabulek jsou samozřejmě pouze ilustrativní a nem^euj vynález. Všechny údaje jsou vztaženy na jednu tunu vyrobeného přímo redukovaného železa, které bylo metalízo véno na 92 % a má obsah Uhlíku 1,5 %. To jsou běžné přijatelné komerční standardní hodnoty pro přímo redukované železo vyráběné v zařízeních pracujících se zemním · plynem.

Tabulka 1 udává přívod paliva potřebný pro popsaný způsob. Koksárenský plyn ná vyěží výhřevnost rovnou 19 340' kJ.íto“³.

Tabulka · I

Provozní topný plyn Hořáky reforaovací pece Celková spotřeba paliva

Přívod paliva

256 kW h kW h

314 kW h

Tabulka 2 udává průtok plynů v normálních krychlových meltrech za hodinu v uvedených místech zařízení podle výkresu.

Tabulka H

Plyn	Msto	Průtok Nm3, h“
z reformační pece	87	1 320
do dolních vstupních otvorů	90	922
reforaovaný plyn do horních vstupních
otvorů	92	398
zahřátý provozní topný plyn	82	609
plynná směs do horních přívodních otvorů	84	1 007
zreagovaný vysokopecní plyn	32	1 901
recyklovaný plyn	36	1 5 25
přívod plynu do reforaovací pece	51	1 085
recyklovaný plyn do hořáku reforaovační
pece	64	440

Tabulka 3 udává analýzu plynů v procentech v uvedených místech.

Tabulka III

Plyn (%)	mí sto	CO	C02	H2'	H2°	CH4	N2	Síra (ppm)
reforaovaný plyn	87	32,9	2,5	51,5	5,1	1>9	6,2
provozní topný plyn	82	6,8	1,8	54,3	3,0	28,7	5,4	200
do horních vstupních otvorů	84	17,1	2,1	53,2	3,6	18, 1	5,7	121
vysokopecní plyn	32	13,4	12,4	34,3	23,4	10,5	6,0
vyčištěný recyklovaný plyn	36	16,7	15,5	42,7	4,5	13,1	7,5

Ke kovovému železu, vyrobenému v redukční peci 10, se přidává asi ' 0,018 % síry přenosem síry z provozního topného plynu. Tato hodnota leží pod přijatennoj mezní hodnotou 0,03 %, · která platí pro pooužtí přímo redukovaného železa v elektrické obloukové ocelářské pecÍL.

Ve znázorněném·příkladě se asi 93,3 % topného plynu spotřebuje k redukci a zbývaaících 1,7 % se používá k zaiříváií. Do zařízení lze zaapjjt další· tepelné výměnnky, aby se získalo větší mnnžžtví zbytkového tepla z kouřových plynů z reformační pece k předehřívání pracovního · ·plynu do reformační pece. Tím se dále sníží mnžssví paliva potřebného pro zahřívání do té míry,· ^že ^pl^ynné ^palivo, s výhřevností asi ⁹ 2⁰⁰ kJ.Jto^-’³, se ·může odvádět k ^pooι^jžLtí * mimo závod. Tak například podle vynálezu se při pouužtí zemního plynu místo koksárenského

2246.40 plynu jako provozního topného plynu sníží potřebné objemové množství zemního plynu .na polovinu koksárenského plynu následkem toho, Se zemní plyn má přiblSžně dvojnásobnou výhřevnost. Následkem toho může zemní plyn obsahovat asi 500 ppm obj., aniž by se přidalo nadměrné moožsví síry k vyrobenému železu.

Provozní topné plyny, -například . koksárenský plyn nebo těžký benzín, obsahují nenasycené _ uhlovodíky, které mohou způsobovat problémy spojené s usazováním Uhlíku př katalytické reformaci. Způsob podle vynálezu kromě odsíření provozního topného plynu slouží rovněž ke konverzi těchto nenasycených uhlovodíků nc methan nebo jiné nasycené uhlovodíky v redukční peci 10 před reforaováním, a tím odstraňuje problémy vznikající s usazováním uhlíku při reforaovárí.

Podle obr. 2 mohou být tepelné výměnnky 66. 68 zapojeny paralelně msto za sebou. Kouřová trubka 60 napájí obě trubky 60A. 60B. které přivádějí spaainy a jsou připojeny k tepelrýfa výměníkíta - 66, 68.

Podle dalěí neznázorněné alternativy lze tepelné výměnnky z obr. 1 zaměnnt a zahřívat nejprve 'spalovací vzduch a potom provozní topný plyn.

Claims (3)

1. Zařízení k přímé redbcci 'kysličníků železa na kovové železo ve svislé šachtové redukční peci s násypkou k přivádění kusového kysl^^^vého maaeeiálu do horní čáss.i redukční pece k vytvoření zavážky a s výpustí k odebrání vyrobeného kovového železa z dolní čáss,i redukční pece, čímž vzniká sppoitý gravitační pohyb zavážky v redukční peci, do které ústí uprostřed výšky první přívod redukčního plynu a nad ním druhý přívod redukčního plynu a ze které vystupuje na horním konci vypouštěcí trubka zreagovaného plynu i spojená s propínacím chladičem, přieemž s oběma přívody redukčního plynu do redukční pece je spojen výstup reforaovací pece s refonnovacími trubkami obsea^íc^! katalyzátor k vytvoření plynných redukčních.látek a do druhého přívodu redukčního plynu ústí přívodní trubka topného provozního plynu spojená se zdroeem provozního plynného paliva, vyznačené tím, že reforaovací pec (56) obsahuje alespoň jeden hořák (58) k zahřívání refomovacích trubek (52) obsea^^ch katalyzátor a kouřovou trubku (60) k odvádění kouřových plynů spojenou s ' tepelným výměníkem (68), který je rovněž propojen s přívodní trubkou (82) topného provozního.plynu pro průchod a předehřívání topného plynu v tepelném výměníku (63).

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že kouřová trubka (60) reformovací pece (56) je spojena s druhým tepeliýfa výměníkem (66), který je spojen se zdrojem (72) spalovacího vzduchu pro hořák (58) reforaovací pece (56) pro předehhátí spalovacího vzduchu a snížení teploty^kouřových plynů.

3. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že hořák (58) reforaovací pece (56) je spojen s propíracím chladičem (34) zreagovaného plynu potrubím (36) pro přívod čistého zreagovaného plynu z redukční pece (10) jako paliva do hořáku (58) reforaovací pece (56).