EA025984B1

EA025984B1 - Способ и устройство для получения упрочненных гранул из железосодержащих частиц

Info

Publication number: EA025984B1
Application number: EA201491633A
Authority: EA
Inventors: Али-Нагхи Бейзави; Лотар Форманек
Original assignee: Оутотек (Финлэнд) Ой
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-02-28
Also published as: IN2014MN01929A; ZA201406402B; CN104204244B; WO2013139606A1; CN104204244A; AU2013234571B2; EA201491633A1; DE102012005454B4; AU2013234571A1; DE102012005454A1

Abstract

При получении упрочненных гранул из железосодержащих частиц железосодержащие частицы смешивают по меньшей мере с одним связующим и водой с получением смеси, смесь гранулируют и гранулы подают в реактор с псевдоожиженным слоем для упрочнения. Для уменьшения количества пыли, образующейся в результате истирания на последующих стадиях обработки, в реактор с псевдоожиженным слоем подают еще влажные гранулы в месте наибольшего нагрева псевдоожиженного слоя.

Description

(57) При получении упрочненных гранул из железосодержащих частиц железосодержащие частицы смешивают по меньшей мере с одним связующим и водой с получением смеси, смесь гранулируют и гранулы подают в реактор с псевдоожиженным слоем для упрочнения. Для уменьшения количества пыли, образующейся в результате истирания на последующих стадиях обработки, в реактор с псевдоожиженным слоем подают еще влажные гранулы в месте наибольшего нагрева псевдоожиженного слоя.

025984 ΒΙ

Изобретение относится к получению упрочненных гранул из железосодержащих отходов, при котором железосодержащие отходы смешивают по меньшей мере с одним связующим и водой с получением смеси, смесь гранулируют, гранулы подают в реактор с псевдоожиженным слоем для упрочнения и упрочненные гранулы подвергают восстановлению.

В некоторых способах восстановления для получения металлического железа железосодержащий материал вводят в форме мелкодисперсных частиц. Примером для такого способа является так называемый способ ЗЬ-ΚΝ (производство и металлизация окатышей), сочетание способа З1е1со-Ьиг§1 и способа КериЬйе 81ее1-Ыайоиа1 Ьеай (ΚΝ). Способ ЗюКо-йигщ представляет собой способ прямого восстановления, который первоначально был предназначен для получения губчатого железа для сталеплавильных печей с использованием богатых железом руд. Способ КериЬйе З1ее1-№Чюпа1 Ьеай также представляет собой способ прямого восстановления, при котором после восстановления железные руды разделяются на компоненты: металлическое железо и пустую породу. В этой связи под пустой породой понимают нежелезистые породы, которые присутствуют в железной руде. Посредством объединения двух способов в 1964 году был разработан способ ЗЬ-ΚΝ, в котором оксиды железа восстанавливают твердым восстанавливающим агентом во вращающейся трубчатой печи. Руды или так называемые сырые окатыши вместе с углем, в частности лигнитом, вводят в избытке в печь в качестве восстанавливающего агента и доломит вводят для десульфирования. Выходящий продукт печи охлаждают косвенным путем в трубчатом охладителе и после этого разделяют на губчатое железо, остаточный уголь и золу посредством рассева, разделения в магнитном поле и отделения каменного угля.

В способе ЗЬ-ΚΝ обычно используют кусковую руду с размером зерен 5-18 мм или окатыши размером 9-16 мм. Также используют железистый песчаник или ильменит с размером зерен предпочтительно более 160 мкм. Частицы с диаметром < 63 мкм не подходят для применения в способе ЗЬ-ΚΝ, поскольку приводят к прилипанию и, следовательно, к образованию корки во вращающейся печи, что может привести к остановке работы.

Для того чтобы все же сделать более мелкие частицы пригодными для этого способа, применяют различные способы гранулирования с получением гранул требуемого диаметра. В данном случае благодаря обработке и добавкам, таким как связующие, гранулы могут быть выполнены так, что образование пыли в ходе их получения остается низким (< 10 мас.%).

Из \νϋ 98/49352 А1 известно гранулирование мелкодисперсных фракций железной руды, в котором используют, например, бентонит в качестве связующего материала. Бентонит представляет собой породу, которая содержит смесь различных глинистых минералов, причем монтмориллонит является наиболее значительной составляющей (от 60 до 80 мас.%).

В ИЗ 6024790 описано, что может быть целесообразно активировать этот связующий материал - бентонит для его целевого использования, посредством ионного обмена с интеркалированными катионами. Активированный бентонит обычно обладает лучшей способностью к набуханию, а также более высокой термической стабильностью. Способ активации, описанный в ИЗ 6024790, следует осуществлять в течение периода от нескольких часов до нескольких суток, чтобы обеспечить достаточный ионный обмен.

Из 1Р 63103851 известно добавление в бентонит небольшого количества гидроксида натрия, посредством чего осуществляют активацию глинистого материала.

В ΌΕ 2517543 описан способ агломерации металлургической пыли, в котором металлургическую пыль смешивают со связующим в количестве от 2 до 20 мас.% и кремнийсодержащим материалом в количестве приблизительно от 0,5 до 5 мас.%, эту смесь формуют с получением окатышей или гранул и затем упрочняют. Также известно добавление других добавок в связующее, таких как гидроксид натрия, карбонат натрия и бикарбонат натрия в количестве приблизительно 3 мас.%.

Из ЕР 1290232 В1 известен способ получения агломератов металлического железа из мелких железосодержащих частиц с использованием связующего, где в качестве связующего используют целлюлозные волокна. При формировании частиц целлюлозные волокна действуют как связующее, но благодаря высокому содержанию углерода их также можно использовать в качестве восстанавливающего агента в процессе последующего восстановления.

В ЕР 0916742 также описан способ, в котором восстанавливающий агент уже включен в железосодержащие гранулы. С этой целью железосодержащий исходный материал смешивают с углеродистым материалом, органическим связующим и неорганическим коагулирующим агентом и затем смешивают с водой. Обеспеченные диспергирующим агентом, таким образом полученные окатыши высушивают и впоследствии восстанавливают. В качестве диспергирующего агента также может быть использован, например, гидроксид натрия.

Однако при последующей обработке во всех этих способах, в частности в способе ЗЬ-ΚΝ, когда используют сырые окатыши, наблюдают повышенное образование мелкой пыли в результате истирания, что обусловлено обработкой во вращающейся печи совместно с твердым восстанавливающим агентом и сравнительно длительным временем пребывания в печи. Большое количество пыли, образующейся в результате истирания, требует больших затрат на обработку, чтобы обеспечить извлечение такой пыли так, чтобы можно было получить из нее полезный продукт. В противном случае содержащийся в пыли материал теряется.

- 1 025984

Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для получения гранул для дальнейшей обработки, которые имеют такую твердость, что даже на стадиях обработки ниже по потоку не возникает заметного образования пыли в результате истирания.

В соответствии с изобретением цели достигают посредством способа, признаки которого определены в п.1 формулы изобретения. Ультрадисперсный концентрат Ре подают в смеситель и в нем смешивают указанный концентрат по меньшей мере с одним связующим и водой. Кроме того, другие заполнители также можно добавлять в этот смеситель. Полученную таким образом смесь затем гранулируют в микрокоагуляторе. Впоследствии гранулы вводят в предпочтительно циркулирующий псевдоожиженный слой, причем введение осуществляют в месте наибольшего нагрева псевдоожиженного слоя. Резкое изменение температуры приводит к быстрому спеканию небольших гранул, и это обеспечивает достаточную прочность гранул для последующего восстановления во вращающейся печи. При циркуляции псевдоожиженного слоя теплообмен является особенно хорошим благодаря высокой скорости потока, так что процесс спекания дополнительно ускоряется.

Этот способ отличается от обычной практики, когда введение обрабатываемого материала в псевдоожиженый слой осуществляют в области, в которой материал не подвергается воздействию высокого перепада температур, поскольку, в частности, в случае больших частиц большая разность температур может привести к напряжениям в материале и, следовательно, к образованию трещин и возникновению деформаций. Кроме того, из-за введения в точке наибольшего нагрева более высокие требования должны предъявляться к материалу подающего трубопровода. Следовательно, дозированная подача также становится более дорогостоящей.

Место наибольшего нагрева псевдоожиженного слоя находится в области, где происходит сжигание, или в месте поступления горячих газов.

Кроме того, было обнаружено, что благоприятным является содержание железа в железосодержащих частицах по меньшей мере 30 мас.%, предпочтительно по меньшей мере от 50 до 80 мас.%, так что производственные затраты остаются экономически выгодными.

В преимущественном аспекте изобретения обеспечивают концентрат Ре, который имеет максимально 5 мас.% частиц размером более 100 мкм и приблизительно от 55 до 60 мас.% частиц размером менее 32 мкм, поскольку случае более высоких значений средних диаметров может быть более экономически выгодной прямая обработка.

Ультрадисперсный концентрат может присутствовать в виде фильтрационного кека или в виде сухого порошкообразного сыпучего материала. Удельная поверхность частиц составляет от 1600 до 4000 см²/г в зависимости от природы или минералогического состава используемого железного концентрата. Предварительная обработка, например измельчение, может быть целесообразной для получения более однородного размера зерна.

Что касается связующего, наиболее подходящим является неорганическое связующее, такое как, например, бентонит, поскольку при его использовании можно избежать нежелательных побочных реакции при резком увеличении температуры в ходе упрочнения. В соответствии с изобретением количество такого связующего составляет от 0,25 до 1,5 мас.% и, в принципе, зависит от минералогического состава и удельной поверхности железного концентрата.

Гранулы, полученные из смеси в микрогрануляторе, предпочтительно должны иметь размер 0,1 до 6 мм, поскольку при таком размере гарантируется, что при введении в зону наибольшего нагрева реактора фактически все гранулы однородно нагреваются и отсутствуют значительные перепады температур внутри отдельных гранул.

Кроме того, было обнаружено, что особенно благоприятное содержание воды составляет от 8 до 14 мас.%, что, в принципе, также зависит от соответствующего минералогического состава.

Оптимальная температура упрочнения составляет от 850 до 1050°С и в этом диапазоне также зависит от минералогического состава. Эксперименты показали, что в способе в соответствии с изобретением, при термической упрочнении пыль, образовавшаяся при истирании, составляет максимально приблизительно 5 мас.% гранул, причем в данном случае к такой пыли относят фракцию размером < 100 мкм.

Что касается топлива для процесса упрочнения, природный газ или легкое жидкое топливо сжигают непосредственно в реакторе с псевдоожиженным слоем или в генераторе горячего газа. Если используют генератор горячего газа, горячий газ подают в реактор с псевдоожиженным слоем.

Альтернативно, в качестве топлива можно использовать уголь, при этом уголь подвергают карбонизации в отдельном реакторе при температурах от 650 до 950°С, газы карбонизации подают в качестве топлива в реактор упрочнения и горячий кокс карбонизации подают в качестве восстанавливающего агента на стадии способа, расположенные ниже по потоку, предпочтительно на восстановление, осуществляемое во вращающейся печи.

Также было обнаружено, что благоприятно проводить упрочнение в окислительной атмосфере, предпочтительно при содержании кислорода в циркулирующем псевдоожиженном слое от 2 до 10 мас.%. В результате железо (II) окисляется до железа (III) и выделяется дополнительная тепловая энергия. Таким образом можно снизить подачу тепла в реактор.

- 2 025984

При упрочнении в кислородсодержащей атмосфере протекают следующие реакции:

2Ре₃О₄ +1/2 О₂ 3Ре₂О₃ (окисление магнетита до гематита);

Ре₂О₃ х Н₂О Ре₂О₃ + Н₂О (удаление кристаллизационной воды, например, из гетита).

Если кислород не содержится в атмосфере, протекает только вторая реакция, удаление кристаллизационной воды.

Упрочненные микрогранулы затем подвергают восстановительной обработке с использованием угля во вращающейся печи, в которой оксид железа разлагается и железо переходит в металлическую фазу. Отношение между углеродом и железом (Сс_1Х:Ре) составляет 0,3-0,7:1. При восстановлении протекают следующие реакции:

Ре2О3 + СО 2РеО + СО2;

СО2 + С 2СО;

РеО + СО Ре_те, + СО₂.

На практике представляется особенно целесообразным подавать упрочненные горячие гранулы из реактора с псевдоожиженным слоем во вращающуюся печь без охлаждения. Таким образом, с одной стороны, можно сэкономить энергию, а с другой стороны, можно уменьшить объем печи, и следовательно, снизить капитальные затраты. При загрузке гранул в горячем состоянии не требуется длина печи, необходимая иначе для требуемого нагрева гранул во вращающейся печи. Вращающаяся печь может иметь меньшую длину или может быть увеличена пропускная способность в существующей вращающейся печи. В существующих вращающихся трубчатых системах пропускная способность может быть увеличена с помощью горячей подачи. Горячие отработанные газы реактора с псевдоожиженным слоем можно использовать для предварительного нагрева необходимого технологического воздуха или для выработки пара.

Было обнаружено, что для обеспечения возможности подачи пыли, образовавшейся в псевдоожиженном слое и при восстановлении, несмотря на повышенное упрочнение, на экономические нужды, благоприятно отделять эту пыль от псевдоожиженного слоя и/или продукта стадии восстановления посредством пылеотделительной системы и подавать ее рециклом либо в смеситель, либо в гранулирующее устройство.

В частности, при небольших масштабах, например в лабораторных и полупромышленных экспериментах, целесообразно из соображений безопасности охлаждать выходящий продукт печи до температуры ниже 30°С, при этом данное охлаждение следует предпочтительно осуществлять в инертной атмосфере, такой как атмосфера азота. Охлажденный материал, который является смесью губчатого железа, кокса и золы, загружают в магнитный сепаратор, чтобы отделить губчатое железо от кокса и золы.

Кроме того, изобретение включает установку, определенную признаками п.9 формулы изобретения, которая подходит для осуществления способа в соответствии с изобретением. Такая установка включает смеситель для перемешивания железосодержащих частиц по меньшей мере с одним связующим и водой с получением смеси. За этим устройством расположено гранулирующее устройство для получения гранул из смеси. За ним расположен реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем для упрочнения гранул. Реактор с псевдоожиженным слоем выполнен так, что трубопровод для подачи гранул открыт в нижнюю область реактора с псевдоожиженным слоем и, следовательно, в место наибольшего нагрева псевдоожиженного слоя. С этой целью, в частности, материал данного подающего трубопровода и обеспеченные в нем средства дозирования должны быть выполнены так, чтобы постоянно выдерживать эти температуры.

В воплощении изобретения в псевдоожиженный слой подают горячие газы, и трубопровод для подачи гранул открыт в области обеспечивающего эту подачу трубопровода, поскольку в этом месте горячие газы еще не передали тепловую энергию в псевдоожиженный слой.

Также благоприятно обеспечивать по меньшей мере один возвратный трубопровод из реактора с псевдоожиженным слоем и/или расположенного ниже по потоку устройства для восстановления в смеситель и/или микрогранулирующее устройство.

Преимущества способа в соответствии с изобретением, с одной стороны, заключаются в том, что до сих пор можно было использовать только гранулы, которые состоят из концентратов магнетита и гематита и, кроме того, имеют относительно большие диаметры (от 9 до 16 мм). В способе в соответствии с изобретением можно также использовать другие ультрадисперсные концентраты и другие размеры гранул, причем без образования бесконтрольно циркулирующей пыли.

Кроме того, микрогранулы, упрочненные в соответствии с изобретением, обладают большей пористостью по сравнению с кусковыми рудами и, следовательно, могут восстанавливаться быстрее и лучше, чем кусковые руды и традиционные обожженные окатыши, которые упрочняют при температуре свыше 1300°С.

Кроме того, при объединении реактора упрочнения в соответствии с изобретением и печи ЗЬ-КЫ горячий выходящий продукт печи упрочнения можно загружать непосредственно во вращающуюся печь в горячем состоянии. Таким образом обеспечивают экономию тепловой энергии и повышают удельную пропускную способность.

- 3 025984

Наконец, способ в соответствии с изобретением также позволяет обеспечить рециркуляцию в процесс микрогрануляции всей образовавшейся пыли, влажной или сухой, тем самым обеспечивают полностью закрытый цикл переработки материала.

Далее изобретение описано подробно со ссылками на чертежи и приведенное в виде примера воплощение. Все признаки, описанные и/или представленные, составляют объект изобретения сами по себе или в любых сочетаниях независимо от того, включены ли они в пункт формулы изобретения или на них сделана отсылка.

На чертеже показана блок-схема установки для осуществления способа в соответствии с изобретением.

Мелкодисперсную железную руду подают в смеситель 1. Помимо этого, в этот смеситель 1 открыт по меньшей мере один подающий трубопровод 2, через который подают смесь, состоящую, по меньшей мере, из связующего и воды. Конечно, также возможно обеспечение отдельных подающих трубопроводов для каждой отдельной добавки.

Через трубопровод 3 полученную таким образом смесь выводят из смесителя 1 в гранулирующее устройство 4. Из этой смеси формируют гранулы со средним диаметром от 0,1 до 6 мм (микрогрануляция), которые вводят в реактор 10 с псевдоожиженным слоем через трубопровод 5. В реакторе 10 с псевдоожиженным слоем, предпочтительно циркулирующим псевдоожиженным слоем, подают псевдоожижающий газ через трубопровод 11, так что над колосниковой решеткой 13 образуется циркулирующий псевдоожиженный слой 14. На небольшом расстоянии над решеткой 13, через трубопровод 12, поступает горячий газ, с помощью которого нагревают псевдоожиженный слой 14. Вместо подачи горячих газов в реактор внутреннего сгорания также можно подавать в реактор 10 с псевдоожиженным слоем топливо, через трубопровод 12 или дополнительный, не показанный трубопровод. Трубопровод 5 для подачи гранул оканчивается в непосредственной близости от подающего трубопровода 12.

Через трубопровод 15 упрочненные гранулы, содержащие оксид железа, подают на стадию восстановления, в частности, во вращающуюся печь 16, в которой их восстанавливают, например, посредством способа 8Τ-ΚΝ. Поэтому через трубопровод 17 во вращающуюся печь 16 вводят, например, уголь в качестве восстанавливающего агента.

Через трубопровод 20 образовавшуюся в реакторе 10 с псевдоожиженным слоем пыль направляют в циклон 21, в котором ее отделяют от потока газа. Через трубопровод 22 твердые частицы подают в смеситель 1 и/или в гранулирующее устройство 4, чтобы снова переработать их в гранулы.

Через трубопровод 30 извлеченный из реактора 10 с псевдоожиженным слоем газ подают на последующую обработку 31 отработанного газа. Затем очищенный газ можно сбрасывать в атмосферу через трубопровод 32 и/или использовать в качестве технологического газа.

Пример

Г ранулирование.

Концентрат магнетита, содержащий 69 мас.% железа, измельченный и обработанный до крупности, пригодной для гранулирования (< 100мкм), смешивают с 0,5 мас.% бентонита и требуемым количеством воды, которое определяют, исходя из требуемого содержания влаги в гранулах, а затем гранулируют. Содержание влаги полученных таким образом гранул должно составлять приблизительно 10 мас.%; размер гранул составляет от 0,1 до 3 мм.

Упрочнение.

Затем полученные таким образом гранулы упрочняют в реакторе 10 с псевдоожиженным слоем в непрерывном режиме при температуре приблизительно 980°С, а впоследствии охлаждают до температуры приблизительно 30°С. Пропускная способность используемой установки составляет приблизительно 14 кг/ч. В ходе упрочнения, которое осуществляют в атмосфере содержащего кислород газа, магнетит окисляется до гематита, так что дополнительно выделяется тепловая энергия.

Восстановление упрочненных микрогранул в короткой вращающейся печи.

Упрочненные микрогранулы массой 60 кг и уголь массой 40 кг смешивают и загружают в печь. Отношение Οί_1χ: Ре_1о1 составляет 0,60. Загрузку обрабатывают при температуре от 1020 до 1050°С в течение приблизительно 4 ч. После охлаждения в атмосфере азота отбирают средний образец и загружают в магнитный сепаратор с полем низкой напряженности, чтобы отделить остаточный уголь и золу. Магнитный продукт - губчатое железо, имеет следующий аналитический состав:

Ре^,: 80,0 масс.%

Ре²⁺: 2,6 масс.%

Ре,.,_ет: 76,8 масс.%

Степень металлизации: 96 мас.%.

Количество частиц диаметром < 0,1 мм в магнитном продукте составляло приблизительно 4,5 мас.%.

- 4 025984

Перечень обозначений

- смеситель

2,3- трубопровод

- гранулирующее устройство

- трубопровод

- реактор с псевдоожиженным слоем

11,12 - трубопровод

- колосниковая решетка

- псевдоожиженный слой

- трубопровод

- стадия восстановления (вращающаяся печь)

- трубопровод

- циклон

- трубопровод

- обработка отработанных газов

- трубопровод

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения упрочненных гранул из железосодержащих частиц, в котором железосодержащие частицы смешивают по меньшей мере с одним связующим и водой с получением смеси, смесь гранулируют и гранулы вводят в реактор с псевдоожиженным слоем для упрочнения, при этом еще влажные гранулы имеют содержание воды от 8 до 14 мас.% и их вводят в реактор с псевдоожиженным слоем в точке наибольшего нагрева псевдоожиженного слоя, упрочненные гранулы подают непосредственно на стадию восстановления, расположенную ниже по потоку, и указанную стадию восстановления осуществляют во вращающейся печи.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что влажные гранулы вводят в нижнюю область реактора с псевдоожиженным слоем, в которую также вводят горячие газы или в которой происходит сжигание топлива.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что железосодержащие частицы имеют содержание железа по меньшей мере 30 мас.% и/или максимально 5 мас.% частиц имеет размер более 0,1 мм.
4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что связующее является неорганическим связующим.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что гранулы имеют размер от 0,1 до 6 мм.
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что температура в реакторе с псевдоожиженным слоем составляет от 850 до 1050°С.
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что упрочнение в реакторе с псевдоожиженным слоем осуществляют в окислительной атмосфере.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что железосодержащую пыль, которая образуется в реакторе с псевдоожиженным слоем и/или на стадии восстановления ниже по потоку от реактора с псевдоожиженным слоем, подают рециклом на смешивание и/или гранулирование.
9. Установка для осуществления способа по любому из предшествующих пунктов, содержащая смеситель (1) для перемешивания железосодержащих частиц по меньшей мере с одним связующим и водой с получением смеси, гранулирующее устройство (4) для получения из смеси влажных гранул, имеющих содержание воды от 8 до 14 мас.%, и реактор (10) с псевдоожиженным слоем для упрочнения гранул, в которой трубопровод (5) для подачи гранул открыт в нижнюю область реактора (10) с псевдоожиженным слоем, горячий выходящий продукт печи упрочнения загружают непосредственно на стадию (16) восстановления в горячем состоянии, и на стадии (16) восстановления обеспечена вращающаяся печь.
10. Установка по п.9, содержащая трубопровод (11) для подачи горячих газов или топлива, отличающаяся тем, что трубопровод (5) для подачи гранул открыт в области входа трубопровода (11) для подачи горячих газов или топлива в реактор (10) с псевдоожиженным слоем.
11. Установка по п.9 или 10, отличающаяся тем, что обеспечен по меньшей мере один возвратный трубопровод (20, 22), проходящий из реактора (10) с псевдоожиженным слоем и/или со стадии (16) восстановления, расположенной ниже по потоку, в смеситель (1) и/или в гранулирующее устройство (4).