EA027686B1

EA027686B1 - Устройство и способ для улучшения однородности шихты в шахтной печи для комбинированного риформинга/восстановления

Info

Publication number: EA027686B1
Application number: EA201590677A
Authority: EA
Inventors: Тревис Райт; Стив Монтаг
Original assignee: Мидрэкс Текнолоджиз, Инк.
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2017-08-31
Also published as: BR112015007442B1; TWI493043B; KR20150060956A; MX2015004229A; ZA201502881B; MA20150408A1; CN104870658A; EP2904122B2; UA111685C2; PE20151043A1; WO2014055479A1; CL2015000819A1; US20140091502A1; BR112015007442A2; MY176933A; NZ706644A; MX362840B; EP2904122A4; EP2904122A1; AR092762A1

Abstract

Настоящее изобретение предоставляет шахтную печь для комбинированного реформинга/восстановления для производства железа прямого восстановления, использующую одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты, таких как один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций/модификаций, одну или несколько мешалок или т.п. для обеспечения равномерного осуществления реформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи.

Description

Настоящая патентная заявка/настоящий патент испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/708368, поданной 1 октября 2012 г. и озаглавленной Устройства и способы для улучшения однородности шихты в шахтной печи для комбинированного риформинга/восстановления, содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в общем к системам для прямого восстановления железа, таким как системы, использующие процессы Мидрекс, или ХИЛ, или т.п. В частности, настоящее изобретение относится к устройствам и способам для улучшения однородности шихты в шахтной печи для комбинированного риформинга/восстановления, таким как системы и способы, используемые без внешнего риформинга или с минимальным внешним риформингом восстановительного газа перед прямым восстановлением железа в шахтной печи.

Предпосылки создания изобретения

Традиционно, восстановительный газ, применяемый в шахтной печи для прямого восстановления железа, вначале подвергается риформингу снаружи шахтной печи (например, в риформере). Однако с недавнего времени существует тенденция к использованию безриформенного процесса или процесса без применения риформера, устраняющего или существенно снижающего потребность во внешнем риформинге, заменяя его риформингом непосредственно в шахтной печи, комбинированным с процессом прямого восстановления. Тем не менее, некоторое количество внешнего риформинга может происходить снаружи шахтной печи, но подобный внешний риформинг часто является минимальным и лишь дополняет потребность в риформинге газа.

Одной проблемой, свойственной данному подходу, является неэффективность в создании равномерной однородности шихты внутри шахтной печи или реактора, создаваемой при внешнем риформинге, с тем, чтобы максимизировать риформинг и обеспечить равномерное осуществление прямого восстановления. Обычно в шахтной печи, направленный вниз под действием силы тяжести поток шихты является более быстрым в центре шахтной печи, чем, например, вдоль ее сторон. Это приводит к нежелательным и разнородным градиентам риформинга и прямого восстановления. Эта проблема осложняется по мере увеличения диаметра шахтной печи.

В традиционных системах прямого восстановления в шахтной печи для устранения нежелательных градиентов прямого восстановления, минимизации комкования шихты и т.д., то есть для способствования желаемым физическим и химическим характеристикам, используются внешний риформер, уникальная подача оксида железа в верхнюю часть шахтной печи, множество вращающихся смешивающих валов или т.п., и/или устройство для содействия стационарному потоку. Тем не менее, на сегодняшний день подобные механизмы не использовались в безриформенном процессе, процессе без применения риформера или процессе с минимальным применением риформера в зонах риформинга и/или прямого восстановления. Эти механизмы являются предметом настоящего изобретения.

Краткое изложение сути изобретения

В различных примерных вариантах осуществления настоящее изобретение предоставляет шахтную печь для комбинированного риформинга/восстановления для производства железа прямого восстановления, использующей одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты, таких как один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций/модификаций, одну или несколько мешалок или т.п. для обеспечения равномерного осуществления риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи. Настоящее изобретение находит самое широкое применение в процессах прямого восстановления под высоким давлением (т.е. превышающим 5 атм), помимо других вариантов применения.

В одном примерном варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет шахтную печь для комбинированного риформинга/восстановления под высоким давлением для производства железа прямого восстановления, содержащую: одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты, расположенных во внутренней части шахтной печи; при этом одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты расположены в одной или нескольких из зоны риформинга и зоны восстановления во внутренней части шахтной печи, и при этом одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты используются для встряхивания шихты с тем, чтобы одно или несколько из риформинга и восстановления равномерно происходили в шихте. Одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты содержат один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций или одну или несколько мешалок. Один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов содержат множество выступающих конструктивных элементов, которые при вращении перемешивают шихту. Необязательно, один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов проходят по всей ширине шахтной печи. Одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку задерживают поток центральной части шихты сквозь шахтную печь, тем самым замедляя его. Одно или несколько устройств для улучшения

- 1 027686 однородности шихты обеспечивают равномерное осуществление риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи.

В другом примерном варианте осуществления настоящее изобретение предусматривает способ предоставления шахтной печи для комбинированного риформинга/восстановления под высоким давлением для производства железа прямого восстановления, включающий: предоставление одного или нескольких устройств для улучшения однородности шихты, расположенных во внутренней части шахтной печи; при этом одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты расположены в одной или нескольких из зоны риформинга и зоны восстановления во внутренней части шахтной печи, и при этом одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты используются для встряхивания шихты с тем, чтобы одно или несколько из риформинга и восстановления равномерно происходили в шихте. Одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты содержат один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций или одну или несколько мешалок. Один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов содержат множество выступающих конструктивных элементов, которые при вращении перемешивают шихту. Необязательно, один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов проходят по всей ширине шахтной печи. Одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку задерживают поток центральной части шихты сквозь шахтную печь, тем самым замедляя его. Одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты обеспечивают равномерное осуществление риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи.

Краткое описание графических материалов

Настоящее изобретение изображено и описано здесь со ссылкой на графические материалы, в которых подобные ссылочные номера используются в соответствующих случаях для обозначения подобных компонентов системы/этапов способа.

На чертеже показано схематическое изображение одного примерного варианта осуществления шахтной печи для комбинированного риформинга/восстановления, содержащей одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Как и ранее, в различных примерных вариантах осуществления настоящее изобретение предоставляет шахтную печь для комбинированного риформинга/восстановления для производства железа прямого восстановления, использующую одно или несколько устройств для улучшения однородности шихты, таких как один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций/модификаций, одну или несколько мешалок или т.п. для обеспечения равномерного осуществления риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи.

В частности, как изображено на чертеже, в одном примерном варианте осуществления шахтная печь 10 согласно настоящему изобретению содержит множество труб 12 для подачи гранул или агломератов, выборочно подающих гранулы или агломераты железной руды для прямого восстановления, и одну или несколько труб 14 для подачи газа из кольцевого трубопровода горячего дутья, выборочно подающую или подающие газ из кольцевого трубопровода горячего дутья для риформинга и осуществляющую или осуществляющие прямое восстановление гранул железной руды. Подобные конструкции хорошо известны специалистам в данной области техники. Применяемый восстановительный газ может быть получен из природного газа, коксового газа, синтез-газа и т.д. Гранулы или агломераты железной руды образуют слой или шихту 16 в шахтной печи 10. Ссылаясь на вышеописанное, без использования идеи настоящего изобретения, направленный вниз поток шихты 16 может двигаться быстрее сквозь центр шахтной печи 10, чем он движется у ее сторон, например, образуя большие изменения физических и химических характеристик восстановительного газа и железа прямого восстановления.

Предпочтительно для устранения этой проблемы шахтная печь 10 содержит один или несколько вращающихся/возвратно-поступательных смешивающих валов 18. Эти смешивающие валы 18 могут включать, например, валы, проходящие через всю шахтную печь 10 или через ее часть и содержащие множество выступающих конструктивных элементов, кулачков или т.п., все из которых предназначены для встряхивания шихты 16. Шахтная печь 10 также может содержать одно или несколько устройств 20 для содействия стационарному потоку, поддерживающих, отклоняющих и управляющих частью шихты 16, с тем чтобы замедлить поток в ее центре, например, и, в результате, ускорить относительный поток, например, у ее краев. Эти устройства 20 для содействия стационарному потоку могут быть расположены по всей шахтной печи 10 или сконцентрированы в определенной части шахтной печи 10. По существу, устройства 20 для содействия стационарному потоку содержат одну или несколько конструкций для прерывания потока, имеющих любые желаемые геометрические формы. Шахтная печь 10 может дополнительно включать в себя одну или несколько настенных конструкций (не изображены), способствующих однородности шихты 16. Например, могут применяться геометрические формы стенок, ускоряющие поток шихты у стенок, особенно при использовании в сочетании с устройствами 20 для содействия стационарному потоку. Также шахтная печь 10 может дополнительно включать в себя одну или несколько ме- 2 027686 шалок (не изображены), способствующих однородности шихты 16 путем ее перемешивания и встряхивания.

В общем, устройства для улучшения однородности шихты согласно настоящему изобретению обеспечивают равномерное осуществление риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты 16 в шахтной печи 10. Это особенно важно в зонах риформинга и прямого восстановления шахтной печи 10, включающих верхнюю часть шахтной печи 10, нижнюю часть шахтной печи 10 и зону перехода, расположенную между ними.

Следует отметить, что в различных ссылочных материалах рассматривались устройства для содействия потоку и различные конфигурации стенок (см., например, ИЗ 6200363 и ИЗ 4886097), но никогда в определенном контексте системы прямого восстановления, осуществляемого при высоком давлении и минимальном внешнем риформинге, что приводит в действие другие факторы для рассмотрения. Как упоминалось применительно к традиционным системам прямого восстановления, трудность в достижении достаточного потока частиц из накопителей, бункеров, хранилищ и других резервуаров для временного или постоянного хранения была предметом различных исследований. Часто при большом объеме частиц, предназначенных для обработки, силу тяжести используют для создания потока частиц из емкости для хранения. Несмотря на то, что деньги и время были с различной степенью успеха потрачены на разработку резервуаров для хранения подобных материалов, по-прежнему существует проблема, заключающаяся в том, будет ли заданное твердое вещество течь из заданного контейнера, после того как его в действительности построят.

При проектировании контейнера, предназначенного для массового потока или для воронкообразного потока, необходимо учитывать много факторов, особенно если результаты испытаний или опыт показывают, что обрабатываемый материал имеет свойство приклеиваться, спекаться, образовывать свод, сцепляться или затвердевать со временем. Проектировщик эффективного контейнера для хранения должен знать о проблемах, которые могут возникнуть при хранении и при течении твердых веществ, предназначенных для обработки. Следовательно, для проектирования подходящего контейнера необходимо измерять свойства потока твердого вещества, предназначенного для обработки. Известно, что поведение сыпучих твердых веществ, обладающих разными характеристиками потока, очень трудно прогнозировать, и возникает много проблем при обращении с подобными твердыми веществами в удерживающем резервуаре. При изменении подобных свойств потока, вызванных изменениями температуры, содержания влаги и т.д., необходимо принимать меры для компенсации подобных изменений в конструкции контейнера. Следовательно, подобные вариации свойств потока могут сделать поток как сложным, так и критическим. Неправильно изготовленный контейнер будет иметь тенденцию к проявлению нескольких неблагоприятных характеристик, свойственных сыпучим материалам, затрудняющих поток частиц.

Основными известными причинами прерывания или остановки потока являются такие явления, как уплотнение, образование пробки и налипание. Причины подобных явлений плохо известны или определены. Уплотнение является неизбежным результатом давления большого количества частиц, направленного к выпускному отверстию или выпускным отверстиям рабочей емкости. Образование пробки или свода происходит при сцеплении частиц между собой и их уплотнении напором сверху, образуя свод, достаточно прочный для того, чтобы выдержать весь вес материала в емкости. Налипание происходит, когда небольшой цилиндрический объем материала течет вниз к выпускному отверстию, в то время как основная часть материала висит на стенке рабочей емкости.

Существует несколько общих подходов, применяемых специалистами в данной области, при изучении текучести сыпучих твердых веществ. Эти подходы включают в себя определение конкретных параметров текучести путем применения сдвигающего воздействия к образцу частиц, но прогнозирование поведения частиц не всегда является точным или полным.

Многочисленные решения были предложены и известны из технической литературы. Эти решения в основном делятся на две категории. К первой категории относятся решения, связанные с конструкцией собственно контейнера и направленные на способствование массовому потоку, воронкообразному потоку или комбинированному потоку путем модификации физических характеристик контейнера, например типа стенки, ее формы, материала, из которого она изготовлена, применения внутренних опор и природы ее впускных и выпускных отверстий. Вторая категория предлагаемых решений связана со вспомогательными устройствами или способами для способствования потоку материала. Они могут быть внутренними или внешними и могут представлять собой механические вибраторы, прикрепленные к стенке контейнера, гладкую внутреннюю обшивку, мешалки, впрыск газов для псевдоожижения или другого облегчения потока частиц, а также химические вещества для помощи в решении определенных проблем.

Для решения проблем, связанных с потоком в накопителях и других подобных емкостях, в прошлом было предложено изготовление подобных контейнеров со стенками, расположенными под очень крутыми углами, а также устранение любых препятствий для потока или неровностей стенок с тем, чтобы гладкая поверхность предотвращала остановки, а в некоторых случаях также применение какого-либо типа устройства для содействия потоку или активатора потока.

Подобный контейнер или накопитель, построенный для традиционного прямого восстановления, например, имеет стенки, сужающиеся книзу, от впускного отверстия к выпускному отверстию. Стенка

- 3 027686 контейнера выполнена таким образом, что содержит внутреннюю смежную поверхность с внутренним перевернутым спиральным или винтовым непрерывным выступом, образующим единое целое со стенкой и выступающим наружу относительно накопителя. Выступ предоставляет увеличение площади поперечного сечения накопителя, ограниченной внутренней кромкой, а также создает асимметрию внутренней поверхности накопителя, склонной к дестабилизации пробок, которые иначе образовывались бы сцепленными твердыми частицами.

Этот внутренний перевернутый выступ может проходить от верхней части накопителя к его нижней части или, в некоторых случаях, лишь вдоль части накопителя, в частности в тех областях, где внутренний диаметр накопителя приводит к тому, что твердые частицы образуют пробку или купол соответственно характеристикам своего потока. Угол отклонения выступа от горизонтали варьируется примерно от 30 до 40 градусов. Кроме того, ширина выступа, т.е. расстояние между краями, может быть изменена и приспособлена к любому конкретному применению, в зависимости от размера частиц, характеристик сцепленных частиц и геометрической формы накопителя. Ширина выступа превышает толщину стенки из листового металла. Стенка контейнера в некоторых высокотемпературных применениях обладает внешней изоляцией в форме стенки, которая толще выступа. Угол сужения может оставаться постоянным или может постепенно уменьшаться вдоль спирального выступа от более крутого угла стенки выше выступа до менее крутого угла стенки ниже выступа для любой заданной точки вдоль указанного выступа. Спиральный выступ окружает сужающуюся стенку конического контейнера примерно 1-1/2 раза. В данной области техники хорошо известно, что угол сужения накопителя выбирают в зависимости от характеристик обрабатываемого твердого материала, характеристик материала стенки и желаемого типа потока твердых частиц.

Однако, как и ранее, этот тип конфигурации никак не способствует однородности шихты, необходимой в системе прямого восстановления с минимальным внешним риформингом, обеспечивая равномерное осуществление риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты 16 в шахтной печи 10, что особенно важно в центральной части шихты. Это также особенно важно в зонах риформинга и прямого восстановления шахтной печи 10, включающих верхнюю часть шахтной печи 10, нижнюю часть шахтной печи 10 и зону перехода, расположенную между ними.

Хотя настоящее изобретение было изображено и описано здесь со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления и его конкретные примеры, специалистам в данной области техники будет очевидно, что другие варианты осуществления и примеры могут выполнять подобные функции и/или добиваться подобных результатов. Все эти эквивалентные варианты осуществления и примеры находятся в пределах объема и идеи настоящего изобретения, предусмотрены настоящим изобретением и предполагается, что они включены в следующую формулу изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Шахтная печь для комбинированного риформинга/восстановления под высоким давлением для производства железа прямого восстановления, выполненная с возможностью функционирования под давлением 5 атм и выше, содержащая одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления, расположенных во внутренней части шахтной печи; при этом одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления расположены в одной или нескольких из зоны риформинга и зоны восстановления во внутренней части шахтной печи, и при этом одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления выполнены с возможностью использования для встряхивания шихты с тем, чтобы одно или несколько из риформинга и восстановления равномерно происходили в шихте.
2. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления содержат один или несколько вращающихся/возвратнопоступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций или одну или несколько мешалок.
3. Шахтная печь по п.2, отличающаяся тем, что один или несколько вращающихся/возвратнопоступательных смешивающих валов содержат множество выступающих конструктивных элементов, которые при вращении перемешивают шихту.
4. Шахтная печь по п.3, отличающаяся тем, что один или несколько вращающихся/возвратнопоступательных смешивающих валов проходят по всей ширине шахтной печи.
5. Шахтная печь по п.2, отличающаяся тем, что одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку задерживают поток центральной части шихты сквозь шахтную печь, тем самым замедляя его.
6. Шахтная печь по п.1, отличающаяся тем, что одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления обеспечивают равномерное осуществление риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи.
7. Способ комбинированного риформинга/восстановления под высоким давлением для производства железа прямого восстановления с использованием шахтной печи для риформинга/восстановления под

- 4 027686 высоким давлением, функционирующей под давлением в 5 атм, по любому из пп.1-6.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления содержат один или несколько вращающихся/возвратнопоступательных смешивающих валов, одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку, одну или несколько настенных конструкций или одну или несколько мешалок.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что один или несколько вращающихся/возвратнопоступательных смешивающих валов содержат множество выступающих конструктивных элементов, которые при вращении перемешивают шихту.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что один или несколько вращающихся/возвратнопоступательных смешивающих валов проходят по всей ширине шахтной печи.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что одно или несколько устройств для содействия стационарному потоку задерживают поток центральной части шихты сквозь шахтную печь, тем самым замедляя его.
12. Способ по п.7, отличающийся тем, что одно или несколько устройств для выравнивания градиентов риформинга и восстановления обеспечивают равномерное осуществление риформинга и восстановления в шахтной печи по всей ширине и глубине шихты в шахтной печи.