CZ282713B6 - Způsob redukce materiálu obsahujícího oxid kovu v pevné fázi - Google Patents

Abstract

Způsob je určen pro redukci materiálu obsahujícího oxid kovu v cirkulujícím fluidním loži, a přivádí se při něm do fluidizační komory (12) nadměrné množství uhlí a vzduch pro udržování teploty ve fluidizační komoře (12) na hodnotě vyšší než 850.sup.o.n. C. Materiál fluidního lože, který byl odloučen od spalin, se dopravuje karbidizační komorou (48) do recirkulačního systému při teplotě menší než 850.sup.o.n. C do dolní části fluidizační komory (12). V karbidizační komoře (48) se udržují výhodné podmínky pro vytváření karbidu.ŕ

Description

(57) Anotace:

Způsob je určen pro redukci materiálu obsahujícího oxid kovu v cirkulujícím íluidním loži, a přivádí se při něm do fluidizační komory (12) nadměrné množství uhlí a vzduch pro udržování teploty ve fluidizační komoře (12) na hodnotě vyšší než 850 °C. Materiál fluidního lože, který byl odloučen od spalin, se dopravuje karbidizační komorou (48) do recirkulačního systému při teplotě menší než 850 °C do dolní části fluidizační komory (12). V karbidizační komoře (48) se udržují výhodné podmínky pro vytváření karbidu.

CZ 282 713 B6

Způsob redukce materiálu obsahujícího oxid kovu v pevné fázi

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu redukce materiálu obsahujícího oxid kovu v pevné fázi v reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem.

Vynález je zejména vhodný pro redukci železné rudy na kovové železo s uhlíkem, to jest se směsí CO a CO₂. Vynález může být s výhodou použít pro předběžnou redukci železné rudy před fází tavení v přímém tavícím redukčním procesu.

Dosavadní stav techniky

Redukce oxidu železa je endotermickým procesem a vyžaduje přivádění energie. V redukčním procesu, do kterého se přivádí uhlí nebo koks v pevné formě, může být energie potřebná pro reakci snadno dodávána částečným spalováním uhlí. V závislosti na teplotě může být přípustný určitý obsah CO₂ v plynu, s výhodou však takový, že poměr CO₂/CO+CO₂ nepřekročí hodnotu 0,2. To zahrnuje určitý stupeň oxidace uhlí nebo koksu mimo fázi CO, avšak potom je zapotřebí předehřívání rudného koncentrátu stejně jako vzduchu, jestliže se použije vzduch a nikoli kyslík.

Reakční kinetika redukce

Fe₂O₃---> FeO je relativně nevýhodná při nízkých teplotách normálně převládajících v reaktorech s fluidním ložem. Při teplotách asi 800 °C je zapotřebí reakční doby několika minut, eventuálně desítek minut, v závislosti na velikosti částic a požadovaném stupni redukce. Následné reakce podle

FeO + CO---> Fe + CO₂ na kovové železo je dosaženo při teplotě nad 700 °C při vhodném složení plynu.

Redukci železné rudy na kovové železo ve fluidním loži je bráněno tendencí částic ve fluidním loži ke slinování neboli spékání. Vysoké teploty, které dávají vyšší, a proto i výhodnější reakční kinetiku redukčního procesu, vedou k vyšší tendenci ke slinování. Nebezpečí slinování značně omezilo použití techniky fluidního lože pro předběžnou redukci železné rudy.

Všeobecně se má za to, že slinování je způsobené zčásti lepivými částicemi železné rudy, v nichž je železo již úplně nebo částečně ve formě kovu. FeO se jeví jako roztavená vrstva na povrchu předběžně redukované rudy, která způsobuje slinování malých částic na velké částice a shluky. Slinování částic v reaktoru ztěžuje nebo znemožňuje provádění fluidizace v reaktoru.

Slinování může být navíc k roztavené vrstvě železa na částicích způsobeno krystalizací kovového železa jako dendritů na částicích rudy, přičemž vznikají částice, které se velmi snadno ksobě připojují a zarůstají jedna do druhé. Rovněž se má za to, že slinování je způsobeno zvláště aktivní vrstvou kovového železa obklopující větší částice rudy, přičemž aktivní vrstva má určitou adhezní sílu a přitahuje menší částice.

Slinování je možno zabránit prováděním redukce při velmi nízkých teplotách, což by však mělo za následek nevýhodnou reakční kinetiku, a při nízkých teplotách tvořením karbidů místo kovového železa.

- 1 CZ 282713 B6

Pro zabránění slinování při redukci ve fluidním loži při vysokých teplotách se do fluidního lože přidávalo uhlí nebo koks, což mělo zabránit slinování buď ve formě individuálních částic v loži, nebo ve formě ochranné vrstvy koksu na částicích lože. Rovněž se myslelo, že vstřikování oleje do horkého lože přispívá k vytváření vrstvy koksu na částicích železa, což by mělo zabránit slinování.

Přidávání koksu se však osvědčilo pro způsobení oddělování, zejména v běžných fluidních ložích, takže částice železa se koncentrují v dolní části reaktoru a částice koksu v horní části reaktoru. To mělo negativní účinek na redukční proces.

Úkolem vynálezu je vytvořit způsob redukce materiálu obsahujícího oxid kovu, při němž budou odstraněny výše popsané nedostatky, to jest oddělování a slinování.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje překvapivě jednoduše způsob redukce materiálu obsahujícího oxid kovu v pevné fázi v reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem, podle vynálezu, jehož podstatou je, že do fluidizační komory reaktoru se zavádí uhlí nebo koks v nadměrném množství pro redukci materiálu obsahujícího oxid kovu a plyn obsahující plynný kyslík, aby se způsobilo vytváření tepla pro udržování teploty větší než 850 °C ve fluidizační komoře, spolu se spalinami se výstupem plynu v horní části fluidizační komory odvádí materiál lože obsahující předběžně redukovaný materiál obsahující oxid kovu a koks a dopravuje do odlučovače částic a chladí na teplotu rovnající se nebo menší než 850 °C, a materiál lože, který se oddělil ze spalin v odlučovači částic, se vrací do spodní části fluidizační komory přes karbidizační komoru, v níž se udržují podmínky výhodné pro vytváření karbidu.

Podle způsobu podle vynálezu se přiváděním uhlí nebo koksu v nadměrném množství a určitého množství plynu obsahujícího plynný kyslík do reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem vytváří teplo ave fluidizační komoře může být udržována vysoká teplota. Plynem obsahujícím kyslík může být vzduch předehřátý na teplotu, větší než 850 °C, s výhodou větší než 1000 °C, vzduch obohacený kyslíkem nebo čistý plynný kyslík. Výsledkem toho je, že se dosáhne vysoké úrovně reakční kinetiky, přičemž s vhodným poměrem CO₂/CO+CO₂ se vyrábí kovové železo podle reakce

FeO + CO---> Fe + CO₂.

Snižování poměru CO₂/CO+CO₂ má za následek redukci oxidu železa na povrchu částic rudného koncentrátu podle karbidizační reakce

FeO + 4C-->Fe₃C + 3 CO což je výhodné pokud se týká slinování. Vytváření karbidů železa předchází vytváření kovového železa. To je rovněž podporováno nízkými teplotami.

Podle vynálezu se v recirkulačním systému reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem použije výše uvedená karbidizační reakce. Ve vratném potrubí a karbidizační komoře budou předběžně redukovaná železná ruda a koks, který byl oddělen od spalin vycházejících z reaktoru, v nefluidizovaném stavu, přičemž plynná a obklopuje částice, sestává zejména z čistého oxidu uhelnatého CO a poměr CO₂/CO+CO₂ bude následně velmi malý. Atmosféra oxidu uhelnatého CO, která obklopuje částice, se získá redukčními reakcemi, které pokračují v recyklovaném materiálu do recirkulačního systému. Protože teplota materiálu se současně sníží o několik

-2CZ 282713 B6 desítek stupňů (eventuálně 100 stupňů) buď chlazením, nebo pouze proto, že pokračují endotermické, avšak nikoli exotermické reakce, budou produkty redukce v recirkulačním systému reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem sestávat z karbidu železa Fe₃C podle reakčního vzorce-výše uvedeného. Ve většině případů je nejvhodnější teplota od 800 do 850 °C. Doba setrvání v reaktoru může být ovlivněna modifikováním provedení vratného potrubí.

Vytváření karbidu na povrchu částečně redukovaného rudného koncentrátu bude bránit slinování materiálu v recirkulační části stejně jako ve fluidizační části reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem. Řešení podle vynálezu umožňuje zabránit slinování částic ve fluidním loži bez vyvolávání škodlivých účinků na reakční kinetiku procesu redukce ve fluidizační komoře.

Způsobem podle vynálezu se nežádoucí slinování v reaktoru s fluidním ložem provádí pod kontrolou, bez ohledu na formu kovového železa vyráběného redukcí, a to ať už čistého Fe, nebo Fe₃C. Jestliže se tento způsob použije jako primární stupeň při přímém tavícím procesu, eventuálně vzniklé karbidy v redukovaném materiálu budou mít kladný účinek na celý proces.

Řešení podle vynálezu přináší mimo jiné následující výhody: vysokou reakční kinetiku redukce, přičemž redukční proces v reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem může být ovlivňován při relativně vysokých teplotách, a vytváření karbidu, který brání slinování způsobenému snížením teploty v recirkulačním stupni přímým chlazením před, za nebo v odlučovači částic nebo prováděním endotermických redukčních reakcí.

Předběžná redukce oxidu železa vyžaduje určité množství redukčního potenciálu redukujícího plynu. Například v redukčním procesu podle vynálezu v reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem s velikostí částic do 1 mm a teplotou 900 °C, může poměr CO2/CO+CO2 v rozmezí 0,2 až 0,3 poskytnout dobu reakce několik minut, například 10 minut, a přijatelný stupeň metalizace železné rudy.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladu provedení podle přiloženého výkresu, na němž je znázorněno zařízení pro provádění způsobu podle vynálezu,

Příklady provedení vynálezu

Zařízení, znázorněné na obrázku, sestává z reaktoru 10 s cirkulujícím fluidním ložem. Reaktor JO sestává z fluidizační komory 12, odlučovače částic, kterým je v tomto cyklon 14, a recirkulačního systému 16 částic odloučených v cyklonu 14.

Fluidizační komora 12 je opatřena prvním přívodním potrubím 18 pro přívod materiálu obsahujícího oxid kovu a druhým přívodním potrubím 20 pro přívod uhlí nebo koksu. Základní deska 22 fluidizační komory 12 je opatřena otvory 24 nebo tryskami pro přívod předehřátého fluidizačního vzduchu 26 z komory 28, pro fluidizování částic lože a způsobení vytváření tepla uhlím nebo koksem.

V horní části fluidizační komory je upraven výstupní otvor 36 spalin, který je připojen k výstupnímu kanálu 38, spojujícímu fluidizační komoru 12 s cyklonem 14. Ve výstupním kanálu 38 jsou umístěny teplosměnné plochy 40 pro chlazení plynné suspenze vystupující z fluidizační komory 12 a v horní části fluidizační komory 12 mohou být eventuálně umístěny další teplosměnné plochy 40'. Cyklon 14 může být alternativně nebo přídavně opatřen chladicími plochami 42. Chladivém může být vzduch nebo voda. Vzduch, který je zapotřebí pro proces, může být například s výhodou předehříván na teplosměnných plochách 40, 40'. Chlazení může

-3 CZ 282713 B6 být rovněž prováděno přiváděním ochlazeného nebo nepředehřátého uhlí nebo koksu do fluidního lože.

V horní části cyklonu 14 je umístěno výstupní potrubí 44 plynu. V dolní části cyklonu 14 je upraven výstupní otvor 46 pro odloučené částice. K cyklonu 14 je výstupním otvorem 46 připojena karbidizační komora 48. Tato karbidizační komora 48 je opatřena výstupem 50 pevných částic, kterým je odváděn úplně zredukovaný materiál. Materiál může být rovněž v případě potřeby odváděn přímo z fluidizační komory 12. Dolní část karbidizační komory 48 je připojena k vratnému potrubí 52. které je připojeno k dolní části fluidizační komory 12. Část vratného potrubí 52 sestává z plynového uzávěru 54, který brání unikání plynu z fluidizační komory 12 do cyklonu 14 vratným potrubím 52.

Železná ruda se podle vynálezu zredukovala ve znázorněném zařízení následovně: železná ruda s částicemi o velikosti do 1 mm byla přiváděna do fluidizační komory 12 prvním přívodním potrubím 18. Koks byl v nadměrném množství přiváděn druhým přívodním potrubím 20, přičemž bylo dosaženo stupně redukce odpovídajícího poměru CO₂/CO+CO₂ v rozmezí od 0,2 do 0,3.

Fluidizační vzduch 26 byl tvořen předehřátým vzduchem (ohřátým například na teplotu větší než 1000 °C), který byl přiváděn tak, že podstatná část pevných částic z fluidního lože vystupovala z fluidizační komory 12 se spalinami. Předehřátý vzduch rovněž udržoval spalování přiváděného koksu tak, že ve fluidizační komoře 12 byla udržována teplota 900 °C. Železná ruda byla předběžně redukována podle reakce

FeO + CO---> Fe + CO₂ ve fluidizační komoře 12 na přijatelný stupeň metalizace.

Cyklon 14 byl opatřen chladicími plochami 42, které snižovaly teplotu částic, obsahujících oxid kovu, odloučených v cyklonu 14 na 100 °C. Odloučené částice, které obsahovaly kromě jiného předběžně redukovaný rudný koncentrát, Fe a FeO, a koks byly zaváděny do karbidizační komory 48 recirkulačního systému. Teplota v karbidizační komoře 48 byla 800 °C.

Částice byly dopravovány dolů karbidizační komorou 48 relativně pomalu, přičemž částice předem redukovaného rudného koncentrátu reagovaly v redukční atmosféře s částicemi koksu, čímž vznikal karbid železa. Karbid železa se vytvářel v tenké vrstvě na částicích a později sloužil jako ochrana bránící slinování částic v recirkulačním systému a ve fluidizační komoře 12. Konečný produkt mohl být odváděn z karbidizační komory 48 výstupem 50. Doba setrvání částic železné rudy v reaktoru 10 byla asi 5 až 15 minut.

Vynález není omezen na výše popsané provedení, avšak v rámci následujících nároků je možno provádět jeho četné modifikace. Podle způsobu podle vynálezu mohou být rovněž zpracovávány jiné materiály, obsahující oxid kovu, než materiál obsahující oxid železa, který byl popsán ve výše uvedeném příkladu.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob redukce materiálu, obsahujícího oxid kovu v pevné fázi v reaktoru s cirkulujícím fluidním ložem, vyznačující se tím, že do fluidizační komory reaktoru se zavádí uhlí nebo koks v nadměrném množství pro redukci materiálu obsahujícího oxid kovu a plyn

   -4CZ 282713 B6 obsahující plynný kyslík, aby se způsobilo vytváření tepla pro udržování teploty větší než 850 °C ve fluidizační komoře, spolu se spalinami se výstupem plynu v horní části fluidizační komory odvádí materiál lože obsahující předběžně redukovaný materiál obsahující oxid kovu a koks dopravuje do odlučovače částic a chladí na teplotu rovnající se nebo menší než 850 °C, a materiál lože, který se oddělil ze spalin, se vrací do spodní části fluidizační komory přes karbidizační komoru, v níž se udržují podmínky výhodné pro vytváření karbidu.

   2. Způsob podle nároku 1, vyznačující je materiálem obsahujícím oxid železa. s e tím, že materiál obsahující oxid kovu 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující železa je železná ruda. s e tím, že materiálem obsahujícím oxid 4. Způsob podle nároku 1, vyznačující je větší než 900 °C. s e tím, že teplota ve fluidizační komoře 5. Způsob podle nároku 1, vyznačující je v rozmezí od 800 do 850 °C. s e tím, že teplota v karbidizační komoře 6. Způsob podle nároku 1, vyznačující s e tím, že materiál lože, který se odvádí

   spalinami, se ochlazuje v odlučovači částic na teplotu menší než 850 °C.

   7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál lože, který se odvádí spolu se spalinami, se ochlazuje v horní části fluidizační komory na teplotu větší než 850 °C.

   8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že předehřátý vzduch, který má teplotu > 1000 °C, se přivádí do fluidizační komory jako fluidizační plyn.

   9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se t í m , že částice materiálu obsahujícího oxid kovu se dopravují do karbidizační komory v nefluidizovaném stavu.

   10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že plynná atmosféra v karbidizační komoře sestává zejména z oxidu uhelnatého CO.

   11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že odlučovačem částic je ochlazovaný cyklon.

   12. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že doba setrvání materiálu obsahující oxid kovu je menší než 15 minut.

   13. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zpětnému proudění plynu z fluidizační komory přes karbidizační komoru do cyklonu se brání plynovým uzávěrem.

   14. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že stupeň karbidizace se reguluje nastavením doby setrvání v recirkulačním systému.