CZ20002009A3 - Způsob výroby přímo redukovaného železa v patrové peci - Google Patents

Abstract

Předložené řešení se týká způsobu výroby přímo redukovaného železa v patrové peci, zahrnující několik pater, uspořádaných nad sebou ve vrstvách, přičemž se ruda kontinuálně přivádí do patrové pece, dávkuje do nejvyššího patra, stupňovitě přemísťuje do nižších pater a redukční činidlo se dávkuje do nejvyššího patra a/nebo pater pod ním, a reaguje s rudou, za vytváření přímo redukovaného železa. Přímo redukované železo a zbytky redukčního činidla se vypouštějí v oblasti nejnižšího patra patrové pece.

Description

Způsob výroby přímo redukovaného železa v patrové peci

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby přímo redukovaného železa v patrové peci.

Dosavadní stav techniky

Výroba přímo redukovaného železa nastává v procesu přímé redukce redukcí oxidu železa pevným nebo plynným redukčním činidlem. Uhlíkatá látka reaguje s oxidem uhličitým a tvoří redukční plyn CO při vyšší teplotě, například slouží jako pevné redukční činidlo.

Proces tohoto druhu se může provádět například v rotační nístějové peci, tj. v peci s rotačním prstencovým pecním dnem, která je vyzděna z horní strany žárovzdorným materiálem a je obklopena pláštěm. Hořáky, které pronikají obložením a vytápějí vnitřek pláště k dosažení potřebné reakční teploty nad 1 000 °C, jsou namontovány shora pláště.

Oxid železa se rozptyluje spolu s redukčním činidlem ve specifickém bodě rotační nístěje a zavádí se rotací rotační nístěje do vnitřku opancéřování, kde reaguje díky vysokým teplotám s redukčním činidlem a po asi jedné obrátce rotační nístěje je přítomno již přímo redukované železo. V tomto procesu se oxid železa a redukční činidlo po vsázce na vyzděný žárovzdorný materiál rotační nístěje musí nejprve zahřát na potřebnou reakční teplotu než může začít aktuální redukční reakce. To nastává v prostoru, ohraničujícím vsázkovou zónu rotační pece ve směru rotace při přenosu tepla z horkých odpadních plynů hořáků do materiálu vsázky.

Pro malou tepelnou vodivost materiálu vsázky, trvá vyhřívací fáze značnou dobu před dosažením potřebné teploty uvnitř vrstev materiálu vsázky. Čím delší je vyhřívací fáze, tím nižší je produktivita rotační nístějové pece, protože • · · · • · • · • · • · · · · · nižší je produktivita rotační nístějové pece, protože rychlost vyhřívání určuje rychlost rotace rotační nístěje.

Redukční pochod závisí na koncentraci redukčních plynů, které jsou v kontaktu s rudou. Složení plynů v individuálních zónách pece se dá však stěží ovládat, protože celá pec spočívá jen na samotném reakčním prostoru. V konvenčních procesech nemůže být tedy difuse CO z redukčního činidla do rudy a CO2 z rudy do redukčního činidla ovlivňována.

Od určitého stupně přeměny na kov se rychlost redukčního procesu dále snižuje takovým způsobem, že se proces obvykle přeruší, když se dosáhne 85 až 95 % přeměny na kov. Redukce zbývajících oxidů by vyžadovala, neekonomické prodloužení doby procesu.

Z toho vyplývá, že úkolem tohoto vynálezu je navrhnout alternativní způsob výroby přímo redukovaného železa.

Podstata vynálezu

Podle vynálezu se tento problém řeší způsobem výroby v patrové peci, která má několik pater, jedno nad druhým.

Ruda se kontinuálně zavádí do patrové pece a dávkuje do nejvyššího patra a stupňovitě přemísťuje do nižších pater; redukční činidlo se dávkuje do nejvyššího patra a/nebo do jednoho ze spodnějších pater pod ním;

přímo redukované železo se vypouští spolu se zbytky redukčního činidla v prostoru patra na dně patrové pece.

Důležitá výhoda vynálezu je, že reakční prostor je rozdělen do různých zón, pevné látky se pohybují kontinuálně z horní části směrem dolů a plyny ode dna nahoru. Rozdělením reakčního prostoru se dají reakční podmínky měřit a řídit v různých zónách nebo stejně a selektivně pro každé patro.

Jako redukční činidlo přichází v úvahu pevné, kapalné nebo plynné redukční činidlo.

• · · · · * · β ······ · · « ·

Při tomto způsobu se může jemně zrnitá ruda bez spékání vsázet selektivním procesem řízení a kontinuální cirkulací. To je zvlášť výhodné, pokud se použije redukčního činidla, vytvářejícího popel. Separaci popela redukčního činidla od železa lze provádět snadno. Tato separace se může uskutečnit například tříděním v horkém patře. Po částečném ochlazení pod 700 °C je na druhé straně možné separovat přímo redukované železo magnetickými separátory od popela a přebytku redukčního činidla. Tohoto způsobu se může využít, z toho důvodu, že kontinuální míchání v patrové peci zabraňuje spékání železa. Přímo redukované železo je tedy produkováno v jemně zrnité formě a je snadno zachytitelné magnetickými separátory. Jakost přímo redukovaného železa, získaná touto cestou, je nezávislá na množství zbytků redukčního činidla.

Získané železo se může následně zpracovávat na pelety nebo brikety nebo zavádět přímo do taviči pece (elektrické pece a pod.) a dále zpracovávat.

Pokud se požaduje, spalují se vytvářené zbytky redukčního činidla v hořácích s nějakým nevyužitým redukčním činidlem, a výsledné teplo se přivádí do pece.

Proto se může používat a/nebo provozně využívat méně nákladné redukční činidlo, které má poměrně vysoký obsah popela a pracovat s poměrně velkým přebytkem redukčního činidla.

V případech, ve kterých je nutné pracovat s přebytkem redukčního činidla, je výhodné zpracovat zbytky tak, aby se nevyužité redukční činidlo separovalo a mohlo se znovu využít. To se může udělat např. tříděním zbytků, pokud je nevyužité redukční činidlo přítomno v dostatečně hrubé formě. Nevyužité redukční činidlo se může zavádět přímo do patrové pece.

Ovšem vsázku redukčního činidla lze také rozdělit mezi několik pater.

• « · · • ·

Je tedy možné hrubě zrnité redukční činidlo (1 až 3 mm) zavádět do patrové pece ve vyšším místě a jemně zrnité redukční činidlo (< 1 mm) přidávat v nižším místě. Tím se dalece předchází odstraňování prachu s odtahovanými plyny a reakce se urychluje jemně zrnitými částicemi redukčního činidla, zaváděného v nižším místě.

Sázení hrubších částic snižuje spotřebu redukčních činidel, protože malé částice se spotřebovávají cestou odpadních plynů v horních patrech rychleji než je potřebné pro redukci železné rudy.

Podle výhodného provedení se ruda suší a je možno ji i předehřát horkými plyny v patrové peci předtím než se vsadí do patrové pece a přijde do kontaktu s redukčním činidlem. Ruda se výhodně ohřívá na teplotu alespoň 200 °C, výhodně na teplotu alespoň 350 °C. V tomto případě ohřívání a sušení, nemá překročit 10 až 20 minut, aby se předešlo slepování rudy v redukční atmosféře.

Ruda se ovšem může mísit s alespoň částí redukčního činidla než se vsadí do patrové pece.

Při selektivním přidávání redukčního činidla do nižších pater pece se mohou redukující plyny v peci nastavit na optimální koncentraci, tedy dosáhnout lepšího stupně metalizace.

Všechny stoupající plyny, včetně těkavých komponent redukčních činidel, se mohou kompletně spalovat v horní části pece nebo mimo patrovou pec v sušicím zařízení pro rudu a, pokud je to vhodné, pro redukční činidla, a zbývající teplo odpadních plynů pece se touto cestou může maximálně výhodně využít.

Ruda kontinuálně cirkuluje díky hřeblům, namontovaným na každém patře pece a stupňovitě se dopravuje na vespod ležící patro. Tímto způsobem se ruda suší a rychleji ohřívá než • * v konvenčních pecích. Redukční činidlo se rychle vmísí pomocí hřebel pod rudu a rychle ohřeje na reakční teplotu. Slepování redukčního činidla a rudy se předchází kontinuální cirkulací. Rychlost cirkulace závisí na mnoha činitelích, jako na geometrii hřebel, tloušťce vrstev atd. Ruda, některé přítomné redukční činidlo a přímo redukované železo v patrech by mělo cirkulovat alespoň jednou vždy za tři minuty s výsledkem, že se z velké části předejde aglomeraci.

Je možné injektovat plyny obsahující kyslík selektivně na patro, kde se musí pokrýt požadavky na teplo spalováním přebytku provozních plynů.

Je výhodné využít plynů, obsahujících kyslík, které mají teplotu alespoň 350 °C.

Plynné redukční činidlo se může dodatečně injektovat na patra u dna patrové pece. Tím se dosáhne kompletnější redukce rudy.

Podle dalšího výhodného provedení se jedno nebo více pater v peci, která jsou pod patrem, do něhož se zavádí redukční činidlo, vyhřívá hořáky.

Aby se nesnižovala koncentrace redukčních plynů v nižší části pece spalinami při systému spalování, může se energie také dodávat nepřímo, tj . radiačním ohřevem.

Podle jiného výhodného provedení se plyny odsávají z patrové pece z jednoho nebo více pater. Tyto horké plyny se mohou následně vést buď skrubrem CO2 ke snížení množství plynů a zvýšení redukčního potenciálu plynu nebo přídavným reaktorem, obsahujícím uhlík, takže v horkých plynech přítomný CO2 reaguje s uhlíkem a vytvoří oxid uhelnatý podle rovnováhy vznikajícího plynu a redukční potenciál se tedy zvýší. Plyny obohacené o oxid uhelnatý se následně vracejí do patrové pece.

Pokud je to nutné, zavádějí se přísady do pater pod patrem, • * >- ·····« o

kam se zavádějí redukční činidla.

V takovém případě je výhodné odvádět plyny nad patrem, kam se zavádějí aditiva.

Podle výhodného provedení se plyny odsávají z patrové pece pod specifickým patrem a následně reinjektují do pece nad tímto patrem. V tomto patře lze zavádět do pece prach oxidů železa obsahující uhlík a těžké kovy. Oxidy těžkých kovů se zde redukují, těžké kovy těkají a plyny, vytvářené v tomto patře se pak odsávají odděleně.

K dosažení dalšího zvýšení produktivity patrové pece se může pracovat při specifickém přebytku tlaku. Na rozdíl od rotační pece, která je těsněna vodním uzávěrem s průměrem asi 50 m, lze toto realizovat mnohem snadněji v patrové peci, která má jen malá těsnění pohonné hřídele. V takovém případě se pro vsázku a odstraňování materiálu musí zajistit tlakové závěry.

Provedení vynálezu bude dále níže popsáno na základě přiložených obrázků.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1: znázorňuje řez patrovou pecí pro výrobu přímo redukovaného železa;

obr. 2: znázorňuje řez alternativním typem patrové pece pro výrobu přímo redukovaného železa.

Obr. 1 ukazuje řez patrovou pecí 10, která má několik, v tomto případě jedenáct pater 12, jedno nad druhým. Tato samonosná patra 12 a plášť 14, víko 16, dno 18 pece jsou vyrobeny ze žárovzdorného materiálu.

Hřídel 20, na kterém jsou postupně v pořadí upevněna do pater vyčnívající hřebla 22, je namontován ve středu pece.

Hřeble 22 jsou konstruovány tím způsobem, že působí « · · · « · η ·····« ·· ·· cirkulaci materiálu na patře z vnitřku směrem ven a pak na patře pod ním z vnější strany směrem dovnitř za účelem vést materiál pecí shora směrem dolů.

Ruda se může sázet do pece buď separátně nebo dohromady s redukčním činidlem. Při takovém způsobu se může ruda sušit mimo pec a mísit s redukčním činidlem, směs se potom vloží na nejvyšší patro, nebo se ruda a redukční činidlo mohou sázet do pece separátně a přivést do kontaktu s redukčním činidlem na prvním patře a/nebo na jednom z níže ležících pater.

Potom co byla ruda přivedena do prvního patra, uvádí se do cirkulace hřebly 22 a vede k okraji patra, odkud padá několika otvory, upravenými za účelem přepadnutí do nižšího patra. Odtamtud se ruda vede do středu patra a pak padá na patro ležícím pod ním. Během této doby se ruda ohřívá kontaktem s patrem a stoupajícími horkými plyny na přibližně 600 °C až 1000 °C.

Hřídel 20 a hřeble 22 jsou chlazeny vzduchem, a otvory 24, skrze které může vzduch proudit do vnitřku pece a lze jej zde využít pro dodatečné spálení, jsou uspořádány na hřeblech.

Komín 26, kterým se mohou odtahovat plyny z pece a otvor 28, kterým se může ruda vkládat na nejvyšší patro jsou upraveny ve víku 16 pece 10.

Alespoň jeden vstupní otvor 30, kterým se může zavádět do pece redukční činidlo, je upraven v postranních stěnách pece 10 - normálně v horní třetině. Tato redukční činidla mohou být přítomna jak v plynné, tak i v kapalné nebo pevné formě. Redukční činidla jsou oxid uhelnatý, vodík, zemní plyn, ropa a deriváty ropy, nebo pevné uhlíkaté látky jako lignitový koks, ropný koks, kychtový prach, uhlí nebo podobně. Uhlíkatá látka, která se zavádí dolů do spodní části pece 10, se mísí pomocí hřebel 22 s ohřátou rudou. Oxid železa, přítomný v rudě, se stupňovitě redukuje při vysoké teplotě a v přítomnosti oxidu uhelnatého během transportu patrovou pecí 10 na kovové železo.

Trysky 32, kterými se může vhánět do pece vzduch nebo jiný plyn, obsahující kyslík, jsou upraveny v dolní polovině postranní stěny pro injektování horkých plynů (350 °C až 500 °C) , obsahujících kyslík. Výsledkem vysokých teplot a přítomnosti kyslíku se určitá část uhlíku spálí na oxid uhličitý, který zase obratem reaguje s uhlíkem, přítomným v přebytku a konvertuje se na oxid uhelnatý. Oxid uhelnatý konečně redukuje oxid železa na kovové železo. Poněvadž je tato reakce převážně endotermická, je logické montovat do nižší části pece hořáky 34, které zajišťují stejnoměrně vysokou teplotu pater u dna pece. V tomto případě se může použít hořáků na plyn nebo na práškovité uhlí.

Tyto hořáky 34 se mohou vytápět plynem nebo práškovitým uhlím se vzduchem pro předehřívání a/nebo přídavné ohřívání. Jako výsledek kvantitativního poměru mezi kyslíkem a palivem se může dosáhnout produkce přídavného redukujícího plynu, nebo v případě přebytku vzduchu, dodatečného spálení provozních plynů. V případě vytápění práškovitým uhlím se může v hořáku produkovat přebytek oxidu uhelnatého. Pomocí externích spalovacích komor se může předejít vstupu popela ze spáleného uhlí do pece a jeho smísení s přímo redukovaným železem. Teploty ve spalovacích komorách se zvolí tím způsobem, aby vzniklá struska šla odpichovat v kapalné formě a šlo s ní disponovat v zeskelnatěné formě. Produkce oxidu uhelnatého snižuje spotřebu pevných uhlíkatých látek v peci 10 a tedy také obsah popela v konečném produktu.

V postranní stěně pece jsou ve výši prostředního patra upraveny otvory 36, kterými se mohou odvádět horké plyny z pece.

Zajištění přívodu plynného redukčního činidla např. oxidu uhelnatého nebo vodíku v posledním nebo ve dvou posledních patrech se provádí prostřednictvím speciálních trysek 37.

g ······ · · · ·

Redukci rudy lze dokončit v této atmosféře se zvýšeným redukčním potenciálem.

Přímo redukované železo se odebírá spolu s popelem redukčních činidel otvorem 39 ve dně 18 pece 10.

Je možno řídit redukci rudy přesně a provádět proces za optimálních podmínek řízením přívodu pevných, kapalných a plynných redukčních činidel a plynů s obsahem kyslíku v různých místech patrové pece 10 a vybavením pro odtah přebytku plynů v kritických místech.

Obr. 2 ukazuje patrovou pec 10 velmi podobnou peci z obr.

1.

Tato pec 10 také dovoluje použít problematický odpad jako kontaminovaný prach, obsahující železo pro výrobu přímo redukovaného železa.

Například kontaminované prachy, obsahující oxid železa z elektrických nebo konvertorových zařízení, vyrábějících ocel, které obsahují sotva nějaký uhlík se mohou vsázet dohromady s rudou otvorem 28 ve víku 16 do patrové pece 10. Prachy, obsahující oxid železa a velká množství uhlíku, jako zbytky, obsahující olej z válcovacích stolic nebo prach z odpadu plynových skrubrů vysokých pecí, se mohou vsázet speciálním otvorem 31 do pece 10.

Tyto produkty, obsahující uhlík a oxid železa, jsou často kontaminovány těžkými kovy; velký podíl plynů, proudících v peci směrem nahoru se může odtahovat z pece 10 pod patrem, na které se dávkuje prach oxidu železa, obsahující uhlík, odtahovou spojkou 38 v postranní stěně a znovu injektovat do pece 10 vtokem 40 nad tímto patrem. Z toho vyplývá, že množství plynu na patře, na které se zavádí železný prach, je malé. Těžké kovy, přítomné v železném prachu, se redukují bezprostředně po jejich zavedení pece a těkají. Po té se mohou z pece 10 odsát v poměrně malém množství plynů výpustí 42 v postranní stěně. Malý objem ίο ...... ·· ·* plynu s poměrně vysokým obsahem těžkých kovů se potom může odděleně vyčistit. Výsledkem malého množství odpadních plynů jsou malé rychlosti proudění plynu na odpovídajících patrech a s odpadním plynem se vypouštějí jen malá množství prachu. Z toho vyplývá, že v odpadním plynu je extrémně vysoká koncentrace těžkých kovů.

Oxid železa, přítomný v prachu, se redukuje na železo spolu s rudou, vsazovanou do pece.

Claims (12)

1. PATENTOVÉ NÁROKY (Změněné)

   1. Způsob výroby přímo redukovaného železa v patrové peci, která má několik pater, jedno nad druhým, a kde vysoká teplota převládá v nižších patrech, vyznačující se tím, že ruda se kontinuálně zavádí do patrové pece a dávkuje do nejvyššího patra pece a stupňovitě přemísťuje do nižších pater;

   pevné nebo kapalné redukční činidlo se dávkuje do nejvyššího patra a/nebo do jednoho z pater pod ním;

   plyn, obsahující kyslík, se přivádí ve spodní polovině boční stěny do patrové pece a reaguje s částí redukčního činidla, čímž vytváří redukční plyn, který reaguje s rudou a vytváří tak přímo redukované železo;

   přímo redukované železo se vypouští spolu se zbytky redukčních činidel v prostoru patra u dna patrové pece.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jedno nebo více nižších pater se vytápí hořáky, uspořádanými ve stěně pece.
3. 3. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že způsob se provádí za přetlaku.
4. 4. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že redukční činidlo se zavádí do různých pater patrové pece.
5. 5. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že se do patrové pece zavádí přebytek redukčních činidel.
6. 6. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující •«· ·· ·· · · · · • ··· ·#·» • t ♦ · · * φ * * • · · * · ·♦· «· * · se tím, že hrubě zrnité redukční činilo se zavádí do patrové pece výše a jemně zrnité redukční činidlo níže.
7. 7. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že plynné redukční činidlo, např. oxid uhelnatý nebo vodík, se přivádí do posledního nebo do posledních dvou pater speciálními tryskami (37).
8. 8. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že nevyužitá redukční činidla se oddělí od zbytků po vypuštění z patrové pece.
9. 9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že nevyužité redukční činidlo se spaluje v externích spalovacích komorách a vzniklé teplo se přivádí do patrové pece.
10. 10. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že jedno nebo více pater se může vytápět nepřímo.
11. 11. Způsob podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prach oxidu železa nebo struska, obsahující oxidy těžkých kovů, se zavádí do pece, zde se oxidy redukují a těžké kovy vytékají.
12. 12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že vytékané těžké kovy se odsávají odděleně z patra, kde se vytvářejí.