EA011430B1 - Способ и установка для восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к способу восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, в частности восстановления железной руды, в котором мелкозернистую твердую фазу, введенную в первый подогреватель (2), предварительно в нем нагретую и, по меньшей мере, частично обожженную во втором подогревателе (9), восстанавливают в первом реакторе (14) и во втором реакторе (16) с псевдоожиженным слоем до получения губчатого железа, которое затем брикетируют в устройстве (20) для брикетирования при температуре выше 500°С. В твердую фазу, вводимую в первый подогреватель (2), добавляют магнезит в виде сыпучего материала, который, по меньшей мере, частично обжигают с твердой фазой во втором подогревателе (9) с получением оксида магния, обеспечивающего повышенную сыпучесть губчатого железа перед брикетированием, и при этом губчатое железо с оксидом магния перед вводом в устройство (20) для брикетирования дополнительно нагревают. Кроме того, данное изобретение относится к установке для осуществления предложенного способа.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и установке для восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, в особенности железной руды, в котором мелкозернистую твердую фазу предварительно нагревают в первом подогревателе (2), именуемом также ступенью предварительного нагрева, и, по меньшей мере, частично обожженную (кальцинированную) во втором подогревателе (9), именуемом также ступенью обжига, предварительно восстанавливают в первом и во втором реакторах с псевдоожиженным слоем и брикетируют в устройстве для брикетирования при температуре выше 500°С.

Уровень техники

Из патентного документа ΌΕ 4410093 С1 известен подобный способ прямого восстановления железных руд (ПВЖ) для получения губчатого железа, в соответствии с которым осуществляют предварительное восстановление в первом реакторе с циркулирующим псевдоожиженным слоем при температуре в интервале от 550 до 650°С. В расположенном ниже по ходу течения потока втором реакторе с классическим (стационарным) псевдоожиженным слоем, в который для ожижения слоя вводят нагретый газвосстановитель, содержащий водород, твердая фаза восстанавливается еще в большей степени, так что степень металлизации полученного продукта превышает 90%.

При транспортировке губчатого железа (полученного путем ПВЖ) в целях безопасности это железо обычно брикетируют, например из-за опасности возгорания, и в целях лучших условий загрузки и выгрузки (в связи с образованием пыли). Такое брикетирование проводят последовательно после восстановления железа, при этом еще горячее губчатое железо, в процессе его транспортировки к установке для брикетирования, по большей части охлаждается. Для повышения прочности брикета желательно, однако, чтобы брикетирование проводилось при более высоких температурах, например около 700°С. Однако при такой температуре мелкозернистое губчатое железо имеет весьма плохую текучесть (сыпучесть), что затрудняет процесс брикетирования. Для улучшения текучести губчатого железа и обеспечения хорошей обрабатываемости перед брикетированием к губчатому железу добавляют приблизительно 0,5 мас.% оксида магния (МдО) с помощью устройства подачи под давлением, расположенного выше по потоку от установки для брикетирования. Оксид магния не оказывает заметного отрицательного влияния на прочность или стабильность брикета губчатого железа, но он является дорогостоящим материалом изза больших затрат на его обработку, и поэтому стоимость изготовления брикетов губчатого железа также возрастает. Кроме того, оксид магния является гигроскопичным и мелкозернистым (обычно размер зерен составляет менее 100 мкм), так что его трудно хранить и использовать.

Процесс производства губчатого железа из оксидных железных руд известен также из патентного документа ΌΕ-Ο8 1458756, согласно которому восстановление должно быть эффективным при более высоких температурах. Чтобы избежать эффекта, известного как заболочивание или обрастание, который проявляется в процессе восстановления при таких высоких температурах и при котором частицы твердой фазы слипаются или свариваются друг с другом с образованием агломератов, в результате чего псевдоожиженный слой в восстановительном реакторе оседает вниз, предлагается добавлять приблизительно 0,05 мас.% очень тонко измельченных оксидов или карбонатов магния. Эти добавки должны быть довольно мелкозернистыми и предпочтительно иметь размер зерна определенно менее чем 297 мкм, в частности менее 44 мкм. Однако ввод таких добавок создает отмеченные выше проблемы, связанные с их хранением или использованием. Кроме того, в известном процессе перед ступенью восстановления в железную руду необходимо вводить добавки, например, с помощью питателя, работающего под давлением. Это приводит к увеличению капиталовложений в установку, предназначенную для проведения данного технологического процесса. Благодаря более низким температурам на ступени восстановления в известном процессе достигается сравнительно слабый обжиг, когда в ступень восстановления добавляют карбонаты магния. Слабый обжиг можно компенсировать только за счет более продолжительного времени удерживания материала в реакторе, что, однако, также нежелательно. С другой стороны, эти проблемы не возникают, если вместо карбонатов магния в ступень восстановления добавляют оксид магния. Однако применению оксида магния присущи вышеупомянутые недостатки, связанные с его высокой стоимостью и плохими свойствами для транспортирования.

В связи с изложенным задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и установки для восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, которая отличается улучшенной сыпучестью продукта и пониженным потреблением энергии.

Раскрытие сущности изобретения

В соответствии с данным изобретением указанная задача решается с помощью способа, в котором мелкозернистую твердую фазу вводят в первый подогреватель (2), именуемый также как ступень предварительного нагрева и/или обжига, и, по меньшей мере, частично обожженную во втором подогревателе (9), добавляют магнезит (МдСО₃) в виде сыпучего материала, при этом магнезит, по меньшей мере, частично обжигают вместе с твердой фазой во втором подогревателе (9) с получением оксида магния, обеспечивающего повышенную сыпучесть губчатого железа перед брикетированием, при этом губчатое железо с оксидом магния перед вводом в устройство для брикетирования дополнительно нагревают.

По сравнению с оксидом магния магнезит имеется на рынке по значительно более низкой стоимости, и поэтому стоимость производства брикетов из губчатого железа может быть уменьшена. Поскольку

- 1 011430 магнезит, по меньшей мере, частично обжигают с получением окиси магния, сыпучесть губчатого железа перед брикетированием улучшается. Поэтому брикетирование также может проводиться при высоких температурах, при которых сыпучесть губчатого железа обычно ухудшается. За счет такого горячего брикетирования прочность брикета повышается по сравнению с холодным брикетированием, проводимым при более низких температурах.

Поскольку магнезит нагревают в ступени предварительного нагрева и/или обжига вместе с твердой фазой, содержащей оксид железа, то отсутствует необходимость обеспечивать подвод теплоты к двум реакторам для восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, путем сильного нагрева восстановителя, например водорода. Следовательно, энергетический к.п.д. эндотермического процесса восстановления может быть повышен за счет того, что магнезит и твердую фазу, содержащую оксид железа, нагревают уже в ступени предварительного нагрева и/или обжига до температуры, требуемой для восстановления.

Благодаря совместному вводу твердой фазы, содержащей оксид железа, и магнезита в ступень предварительного нагрева и /или обжига нет необходимости вводить дополнительное количество оксида магния в твердую фазу на участке перед питателем, работающим под давлением, расположенным выше по потоку (выше по ходу перемещения обрабатываемого материала) от реакторов. В результате исключаются также капиталовложения, необходимые при обычно применяемом отдельном подводе оксида магния. Магнезит часто содержит примеси, такие как оксид железа и/или известняк, которые не препятствуют проведению последующих стадий процесса, и напротив, отчасти даже являются желательными для дальнейшей обработки железа.

Энергетический к.п.д. процесса может быть увеличен еще больше по способу согласно настоящему изобретению, в котором магнезит вместе с твердой фазой, содержащей оксид железа, обжигают в ступени предварительного нагрева и/или обжига при температуре в интервале от 400 до 1250°С, в частности при температуре от 540 до 1000°С. В соответствии с изобретением интервал температуры обжига может также составлять от 1000 до приблизительно 1250°С. Благодаря таким характерным высоким температурам в ступени предварительного нагрева и/или обжига, по сравнению с известными процессами, отсутствует необходимость подвода теплоты для проведения эндотермического процесса восстановления оксида железа, осуществляемого с использованием водорода, путем сильного нагрева водорода, обычно используемого в качестве восстановителя.

В соответствии с предпочтительным примером осуществления изобретения более чем 50%, предпочтительно около 90% магнезита, добавляемого в ступень подогрева и/или обжига вместе с твердой фазой, содержащей оксид железа, имеет размеры зерна в интервале от 300 мкм до 3 мм, в частности от 400 мкм до 1 мм. Для способа, соответствующего данному изобретению, можно также использовать магнезит с размерами зерна от 1,25 до 3 мм. В результате улучшаются свойства магнезита с точки зрения хранения и проведения загрузки и выгрузки без ухудшения сыпучести губчатого железа. При осуществлении предложенного способа относительно крупнозернистый магнезит или оксид магния измельчают в ступени предварительного нагрева и/или обжига или в реакторах, расположенных ниже по потоку от этой ступени. В результате увеличивается пригодность оксида магния к брикетированию без ухудшения свойств транспортирования указанной добавки.

Улучшенная сыпучесть и хорошая технологичность губчатого железа, в частности в ступени брикетирования, достигаются в соответствии с данным изобретением в том случае, когда к твердой фазе, содержащей оксид железа, добавляют магнезит в количестве от 0, 1 до 5 мас.%, в частности приблизительно 0,5 мас.%, до и/или в процессе подачи твердой фазы в ступень подогрева и/или обжига. Твердая фаза, которую подают в ступень брикетирования из второго реактора, содержит, например, от 0,1 до 5 мас.%, в частности приблизительно 0,5 мас.% оксида магния, который был получен путем обжига магнезита в ступени предварительного нагрева и/или обжига. Для дальнейшего улучшения технологичности в ступени брикетирования твердой фазы, восстановленной во втором реакторе, указанная твердая фаза может быть нагрета вместе с оксидом магния в ступени подогрева, расположенной выше по потоку от ступени брикетирования, до температуры более 600°С, в частности около 700°С, и может быть введена в ступень брикетирования, находясь в горячем состоянии. Это обеспечивает дополнительное снижение затрат энергии, необходимой для формования, в ступени брикетирования.

Чтобы в значительной мере избежать в процессе восстановления образования агломератов в реакторах, твердую фазу, содержащую оксид железа, восстанавливают в первом и втором реакторах, предпочтительно при температурах менее 700°С, в частности приблизительно 630°С. При таких температурах не будет иметь место известный из уровня техники вышеупомянутый эффект заболочивания. В результате магнезит, подводимый в ступень предварительного нагрева и/или обжига, уже не является необходимым для формирования оксида магния в ступени восстановления, но обеспечивает сыпучесть губчатого железа в процессе его подачи в установку для брикетирования. Степень ожижения твердой фазы, содержащей оксид железа, в первом и втором реакторах особенно высока в процессе восстановления, поскольку в этом случае могут быть обеспечены хороший перенос теплоты и устойчивая реакция с восстановителем. Твердая фаза, содержащая оксид железа, восстанавливается в первом и втором реакторах с получением металлического железа со степенью металлизации более чем 75%, в частности более 90%.

- 2 011430

Задача, лежащая в основе настоящего изобретения, кроме того, решается с помощью установки для осуществления способа восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, включающей в себя ступень предварительного нагрева и/или обжига, именуемой как первый подогреватель (2) с подводящим трубопроводом (1) для ввода этой фазы и связанный с ним через трубопровод (8) второй подогреватель (9), по меньшей мере, для частичного обжига твердой фазы, первый и второй реакторы (14 и 16) для восстановления твердой фазы, каждый из которых представляет собой реактор с псевдоожиженным слоем, и ступень брикетирования (устройство 20) для брикетирования губчатого железа, полученного при восстановлении твердой фазы, при этом установка снабжена третьим подогревателем (18), установленным между вторым реактором (16) и устройством (20) для брикетирования губчатого железа и предназначенным для дополнительного нагрева губчатого железа и оксида магния, полученного, по меньшей мере, при частичном обжиге во втором подогревателе (9) магнезита, вводимого вместе с твердой фазой через трубопровод 1 в первый подогреватель (2). Ступень предварительного нагрева (подогреватель 2) снабжена средствами для одновременного непрерывного или периодического ввода магнезита и твердой фазы, содержащей оксид железа, а выше по потоку от ступени брикетирования размещена ступень нагрева. Поскольку твердая фаза, содержащая оксид железа, и магнезит вводятся вместе, они все нагреваются в ступени предварительного нагрева и/или обжига, так что нет необходимости подводить теплоту, необходимую для последующего эндотермического процесса восстановления оксида железа, за счет сильного нагрева восстановителя.

Ступень нагрева, размещенная выше по потоку от ступени брикетирования, также обеспечивает нагревание губчатого железа, отводимого из восстановительных реакторов вместе с окисью магния, полученной из магнезита, до температуры, например, около 700°С, которая является оптимальной для процесса брикетирования. Восстановление можно проводить при относительно низких температурах, за счет чего в значительной степени подавляется тенденция к образованию агломератов из оксида железа.

Два последовательно расположенных реактора, в которых проводят восстановление, могут, например, представлять собой реакторы с псевдоожиженным слоем (14 и 16), а именно со стационарным псевдоожиженным слоем. При этом для обеспечения улучшенных условий тепло- и массопереноса в процессе восстановления по меньшей мере один из двух реакторов предпочтительно должен быть реактором с циркулирующим или кольцевым псевдоожиженным слоем.

В соответствии с предпочтительным примером осуществления изобретения первый и/или второй реактор выполнен с большим количеством сопел или впускных отверстий для подачи нагретого газообразного восстановительного газа, например водорода. Восстановительный газ может также быть использован для ожижения твердой фазы, восстанавливаемой в реакторах.

Энергетический к.п.д. установки может быть повышен согласно данному изобретению, в соответствии с которым ступень предварительного нагрева и/или обжига представляет собой первый подогреватель (2), например подогреватель с трубой Вентури, с расположенным ниже по потоку первым циклоном и второй подогреватель (9) (ступень обжига) с расположенным ниже по потоку вторым циклоном, при этом первый и/или второй циклон соединен с первым подогревателем, выполненным с трубой Вентури, посредством трубопровода для рециркуляции пыли, отделенной от отходящего газа. Таким образом, пыль, нагретую в ступени предварительного нагрева и/или обжига, используют для подогрева магнезита и твердой фазы, содержащей оксид железа.

Другие усовершенствования, преимущества и возможные случаи применения данного изобретения, кроме того, могут быть заимствованы из нижеследующего описания примера осуществления и чертежа. Все признаки, раскрытые в описании и иллюстрируемые на чертеже, образуют предмет - объект настоящего изобретения сами по себе или в любом сочетании, независимо от того, включены они в формулу изобретения или указаны в описании.

Чертеж отображает схему технологического процесса для способа и установки в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. При проведении такого процесса восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, иллюстрируемого на чертеже, например, влажный оксид железа вместе с магнезитом (МдСО₃) вводят через подводящий трубопровод 1 в подогреватель 2 с трубой Вентури, где твердую фазу, содержащую оксид железа, высушивают и нагревают. По трубопроводу 3 твердую фазу, содержащую оксид железа, вместе с магнезитом подают в циклон 4, в котором запыленные отходящие газы отделяют от твердой фазы.

Через трубопровод 5 отходящие запыленные газы направляют в фильтр 6, например в электростатический осадитель или скруббер, из которого пыль по трубопроводу 7 возвращают обратно в ступень предварительного нагрева.

Твердую фазу, отделенную от отходящего газа в циклоне 4, по трубопроводу 8 подают в ступень 9 обжига или во второй подогреватель, который снабжен горелкой 9а, посредством которой в технологический процесс подводится основная часть тепловой энергии. В ступени 9 обжига твердая фаза и магнезит подогреваются до температуры, например, около 850°С. За счет такой высокой температуры в ступени обжига 9 магнезит обжигается с получением оксида магния, который вместе с твердой фазой, содержащей оксид железа, через трубопровод 10 подают во второй циклон 11. Здесь твердую фазу отделяют от запыленного отходящего газа, который по трубопроводу 12 направляют в первый подогреватель 2,

- 3 011430 выполненный с трубой Вентури. В результате твердую фазу, содержащую оксид железа, и магнезит нагревают и высушивают в подогревателе 2, выполненном с трубой Вентури, с помощью отработанных газов, отводимых из второго циклона 11.

Твердую фазу, отделенную во втором циклоне 11, с помощью питателя под давлением направляют по трубопроводу 13 в первый реактор 14, который, например, представляет собой реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем. За счет ввода водорода нагретую руду, содержащую оксид железа, предварительно восстанавливают в первом реакторе 14 и по трубопроводу 15 транспортируют во второй реактор 16, который может быть стационарным реактором с псевдоожиженным слоем. Нагретый водород вводят в качестве восстановителя также во второй реактор 16, так что оксид железа восстанавливается и во втором реакторе 16. Из второго реактора 16 губчатое железо с высокой степенью металлизации выгружают вместе с оксидом магния и по трубопроводу 17 направляют в ступень нагрева 18, где твердую фазу нагревают до температуры приблизительно 700°С и посредством трубопровода 19 в горячем состоянии вводят в ступень 20 брикетирования.

Ниже по потоку от реакторов 14 и 16 могут быть установлены циклоны, в которых твердую фазу в виде пыли отделяют от газов, покидающих реакторы. В ступени 21 очистки отработанного газа эти отработанные газы могут быть очищены и нагреты в нагревателе 22, перед их рециркуляцией в реакторы 14 и 16.

Пример. Восстановление железной руды.

В установке, представленной на чертеже фигуры, в подогреватель 2 , выполненный с трубой Вентури, через трубопровод 1 подавали 61,2 т/ч влажной железной руды с содержанием влаги 7,8% и 300 кг/ч магнезита с размером зерна менее 1 мм. Железная руда вместе с магнезитом была подсушена и нагрета в подогревателе 2 и, пройдя через циклон 4, введена в ступень обжига 9, где железная руда и магнезит были нагреты до температуры 850°С.

Из запыленных отходящих газов, отделенных в циклоне 4, было выделено 2,6 т/ч пыли в фильтре 6, при этом пыль содержала 25 кг/ч оксида магния. Эту пыль путем рециркуляции по трубопроводу 7 возвращали в ступень подогрева.

Железную руду в количестве 54,2 т/ч, нагретую в подогревателе 9 до 850°С, вместе с магнезитом (расходное количество 150 кг/ч), обожженным до получения оксида магния, с помощью работающего под давлением питателя вводили посредством трубопровода 13 в реактор 14 и в реактор 16, установленный ниже по потоку от первого. Восстановление в реакторах 14 и 16 при температуре приблизительно 630°С обеспечивало получение 37 т/ч продукта со степенью металлизации 91%. Полученный продукт, включающий в себя примерно 34 т/ч металлического железа и 150 кг/ч оксида магния, по трубопроводу транспортировали 17 в следующую дополнительную ступень 18 нагрева. В этой ступени металлическое железо и оксид магния были нагреты до 700°С и через трубопровод 19 в горячем состоянии направлены в ступень или устройство 20 для брикетирования.

Claims (11)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, в частности железной руды, в котором мелкозернистую твердую фазу, введенную в первый подогреватель (2), предварительно нагретую в нем и, по меньшей мере, частично обожженную во втором подогревателе (9), восстанавливают в первом (14) и во втором (16) реакторах с псевдоожиженным слоем до получения губчатого железа, которое затем брикетируют в устройстве (20) для брикетирования при температуре выше 500°С, отличающийся тем, что в твердую фазу, вводимую в первый подогреватель (2), добавляют магнезит в виде сыпучего материала, который, по меньшей мере, частично обжигают вместе с твердой фазой во втором подогревателе (9) с получением оксида магния, обеспечивающего повышенную сыпучесть губчатого железа перед брикетированием, при этом губчатое железо с оксидом магния перед вводом в устройство (20) для брикетирования дополнительно нагревают.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнезит вместе с твердой фазой, содержащей оксид железа, обжигают во втором подогревателе (9) при температуре от 400 до 1250°С, предпочтительно от 540 до 1000°С.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что более чем 50%, предпочтительно около 90% магнезита, добавляемого к твердой фазе, содержащей оксид железа, имеет размер зерна от 300 мкм до 3 мм, предпочтительно от 400 мкм до 1 мм.
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что к твердой фазе, содержащей оксид железа, добавляют магнезит в количестве от 0,1 до 5 мас.%, предпочтительно около 0,5 мас.%.
5. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что твердая фаза, вводимая в устройство (20) брикетирования из второго реактора (16), содержит оксид магния в количестве от 0,1 до 5 мас.%, предпочтительно около 0,5 мас.%.
6. 6. Способ по любому из п.1-5, отличающийся тем, что губчатое железо вместе с оксидом магния дополнительно нагревают в подогревателе (18) до температуры более 600°С, предпочтительно около до 700°С и вводят в устройство (20) для брикетирования в нагретом до этой температуры состоянии.
7. 7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что твердую фазу, содержащую оксид железа, восстанавливают в первом и втором реакторах (14, 16) при температуре менее 700°С, в частности при температуре около 630°С, до получения губчатого железа со степенью металлизации более 75%, предпочтительно более 90%.
8. 8. Установка для восстановления твердой фазы, содержащей оксид железа, в частности железной руды, для осуществления способа по любому из пп.1-7, содержащая соединенные по ходу потока первый подогреватель (2) для предварительного нагрева твердой фазы с подводящим трубопроводом (1) для ввода в него этой фазы и связанный с ним через трубопровод (8) второй подогреватель (9), по меньшей мере, для частичного обжига твердой фазы, первый и второй реакторы (14, 16) для восстановления твердой фазы, каждый из которых представляет собой реактор с псевдоожиженным слоем, и устройство (20) для брикетирования губчатого железа, полученного при восстановлении твердой фазы, отличающаяся тем, что она снабжена третьим подогревателем (18), установленным между вторым реактором (16) и устройством (20) для брикетирования губчатого железа и предназначенным для дополнительного нагрева губчатого железа и оксида магния, полученного, по меньшей мере, при частичном обжиге во втором подогревателе (9) магнезита, вводимого вместе с твердой фазой через трубопровод (1) в первый подогреватель (2).
9. 9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из двух реакторов (14, 16) представляет собой реактор с циркулирующим и/или кольцевым псевдоожиженным слоем.
10. 10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что первый и второй реакторы (14, 16) имеют множество сопел или отверстий для подачи в них нагретого газообразного восстановителя.
11. 11. Установка по пп.8-10, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит первый циклон (4) и второй циклон (11), установленные по ходу потока соответственно между первым (2) и вторым (9) подогревателями и между вторым подогревателем (9) и первым ректором (14), при этом первый подогреватель (2) выполнен с трубой Вентури и соединен со вторым циклоном (11), а первый циклон (4) снабжен средствами для отделения и рециркуляции пыли, содержащей частицы твердой фазы и магнезита.