PL198159B1 - Termiczny sposób wytwarzania metalu z tlenku metalu oraz urządzenie do termicznego wytwarzania metalu z tlenku metalu - Google Patents

Abstract

1. Termiczny sposób wytwarzania metalu z tlenku metalu po- legaj acy na przetwarzania tlenku metalu z materia lem w eglowym w jednej lub wielu komorach, przy czym ka zda z tych komór ma koniec wej sciowy i koniec wyj sciowy, wytworzeniu gor acego produk- tu metal-w egiel i roztopieniu tego produktu w piecu wytopowym, znamienny tym, ze doprowadza si e tlenek metalu i materia l w e- glowy do ko nca wej sciowego komór i przet lacza si e ten tlenek metalu i materia l w eglowy do ko nca wyj sciowego komór, wprowa- dza si e utleniacz do komory, przy czym wykorzystuje si e przynajm- niej cz esc energii zawartej w materiale w eglowym do wyzwolenia energii cieplnej oraz do wytworzenia spr ezonych gazów redukuj a- cych, nast epnie wytworzony gor acy produkt metal-w egiel wyprowa- dza si e z komór do pieca wytopowego, ogrzewa si e gor acy produkt metal-w egiel w piecu wytopowym, przy czym wytwarza sie gor ace sprezone gazy odlotowe, roztopiony metal i roztopiony zuzel oraz rozdziela si e gazy odlotowe, roztopiony zuzel i roztopiony metal. 37. Urz adzenie do termicznego wytwarzania metalu z tlenku metalu, znamienne tym, ze zawiera reaktor (10) maj acy komor e grzejn a (28) posiadaj ac a koniec wej sciowy i koniec wyj sciowy (20), popychaj ace urz adzenie (15), doprowadzaj ace tlenek metalu i mate- ria l w eglowy do ko nca wej sciowego komory i przet laczaj ace tlenek metalu i materia l w eglowy w kierunku do ko nca wyj sciowego komo- ry, srodki wprowadzaj ace utleniacz do komory, piec wytopowy (11) po laczony z ko ncem wyj sciowym komory do odbierania produktu metal-w egiel z komory oraz srodki do rozdzielania gazów odloto- wych, roztopionego zu zla i roztopionego metalu. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metalu z tlenku metalu oraz urządzenie do termicznego wytwarzania metalu z tlenku metalu. W szczególności, przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania metali z tlenków metali polegający na przetwarzaniu tlenku metalu z materiałem węglowym w jednej lub wielu komorach, w których reagują doprowadzone i ogrzane surowce.

Wiadomo, że istniejące sposoby przetwarzania surowców metalurgicznych w produkty żelazne i nieżelazne są niewydajne, powodują zanieczyszczanie środowiska i są bardzo kosztowne w eksploatacji i utrzymaniu. Ponadto, istnieją zagadnienia dotyczące zagrożeń zdrowia i wpływu na pracowników w tych dziedzinach ze względu na narażenie na skrajnie wysokie temperatury oraz wdychanie szkodliwych pyłów i gazów.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia, które są sprawne energetycznie, aby zmniejszyć wytwarzanie gazów cieplarnianych. W szczególności, celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia, które są zamknięte wobec środowiska i będą mogły być łatwo dopuszczone i zaakceptowane przez różne gremia, łącznie z urzędami ochrony środowiska i ogółem społeczeństwa.

Według wynalazku, termiczny sposób wytwarzania metalu z tlenku metalu polegający na przetwarzania tlenku metalu z materiałem węglowym w jednej lub wielu komorach, przy czym każda z tych komór ma koniec wejściowy i koniec wyjściowy, wytworzeniu gorącego produktu metal-węgiel i roztopieniu tego produktu w piecu wytopowym, charakteryzuje się tym, że doprowadza się tlenek metalu i materiał węglowy do końca wejściowego komór i przetłacza się ten tlenek metalu i materiał węglowy do końca wyjściowego komór, wprowadza się utleniacz do komory, przy czym wykorzystuje się przynajmniej część energii zawartej w materiale węglowym do wyzwolenia energii cieplnej oraz do wytworzenia sprężonych gazów redukujących, następnie wytworzony gorący produkt metal-węgiel wyprowadza się z komór do pieca wytopowego, ogrzewa się gorący produkt metal-węgiel w piecu wytopowym, przy czym wytwarza się gorące sprężone gazy odlotowe, roztopiony metal i roztopiony żużel oraz rozdziela się gazy odlotowe, roztopiony żużel i roztopiony metal.

Korzystnie, z doprowadzanego do jednej lub wielu komór tlenku metalu i materiału węglowego tworzy się rdzeń z pierścieniowym otoczeniem popycha się tlenek metalu i materiał węglowego w kierunku do wyjściowego końca komory.

Korzystnie, utleniacz wprowadza się w wyjściowy koniec jednej lub wielu komór.

Korzystnie, komory są połączone ze sobą w baterię, przy czym każda komora jest oddzielnym modułem.

Korzystnie, w piecu wytopowym zużywa się co najmniej część węgla podczas grzania produktu metal-węgiel.

Korzystnie, poszczególne etapy procesu utrzymuje się w równowadze poprzez regulowanie ciśnienia.

Korzystnie, dodatkowo ogrzewa się piec wytopowy za pomocą uzwojenia indukcyjnego.

Korzystnie, uzupełnia się grzanie indukcyjne poprzez dodanie utleniacza.

Korzystnie, jako utleniacz stosuje się zasadniczo czysty tlen, powietrze albo powietrze wzbogacone tlenem.

Korzystnie, za końcem wyjściowym jednej lub wielu komór stosuje się strefę grzania przez promieniowanie, przy czym energia cieplna odbija się w kierunku do przetwarzanych materiałów.

Korzystnie, dodatkowo ogrzewa się materiały w komorze poprzez ogrzewanie komory, przez którą przepuszcza się gorące gazy przez rury usytuowane w ścianie komory.

Korzystnie, wprowadza się dodatkową energię w strefie promieniowania przez spalanie w niej gazów.

Korzystnie, materiały w komorze są przemieszczane i wyprowadzane z tej komory tak, aby powtarzalnie tworzyć nowe czoło przetwarzanych materiałów przy wyjściowym końcu komory.

Korzystnie, roztopiony metal i roztopiony żużel wprowadza się do zbiornika.

Korzystnie, roztopiony metal i roztopiony żużel doprowadza się do zbiornika z zanurzeniem zapewniającym uszczelnienie cieczowe.

Korzystnie, stosuje się aparaturę zamkniętą, bez kontaktu ze środowiskiem.

Korzystnie, komora zawiera zwężoną część, która jest rozbieżna w kierunku do wyjściowego końca tej komory.

Korzystnie, tlenek metalu zawiera tlenek żelaza, zaś materiał węglowy zawiera węgiel.

PL 198 159 B1

Korzystnie, doprowadza się roztopiony metal i roztopiony żużel do zbiornika wraz z przepływem gazów, które są spalane i dostarczają energii cieplnej.

Korzystnie, homogenizuje się roztopiony metal w piecu wytopowym.

Korzystnie, homogenizuje się roztopiony metal w żelazo.

Korzystnie, sposób ponadto obejmuje homogenizowanie roztopionego metalu w stal.

Korzystnie, wprowadza się utleniacz za pomocą lancy lub za pomocą wielu lanc.

Korzystnie, do tlenku metalu i materiału węglowego dodaje się topnika.

Korzystnie, do tlenku metalu i materiału węglowego dodaje się materiał odsiarczający.

Korzystnie, tworzy się mieszankę poprzez wprowadzenie przynajmniej części materiału węglowego do tlenku metalu.

Korzystnie, z wprowadzanego do komory materiału węglowego tworzy się rdzeń paliwowy.

Korzystnie, kieruje się utleniacz na rdzeń paliwowy z wyjściowego końca komory.

Korzystnie, wyprowadzony z komór gorący produkt metal-węgiel wprowadza się najpierw do zbiornika, a następnie wyprowadza się go ze zbiornika i wprowadza do pieca wytopowego.

Korzystnie, chłodzi się produkt metal-węgiel w zbiorniku przed wystawieniem go na działanie atmosfery.

Korzystnie, produkt metal-węgiel brykietuje się przed wprowadzeniem go do zbiornika.

Korzystnie, brykietowany produkt metal-węgiel chłodzi się przed wystawieniem go na działanie atmosfery.

Według wynalazku, urządzenie do termicznego wytwarzania metalu z tlenku metalu, charakteryzuje się tym, że zawiera reaktor mający komorę grzejną, posiadającą koniec wejściowy i koniec wyjściowy, popychające urządzenie, doprowadzające tlenek metalu i materiał węglowy do końca wejściowego komory i przetłaczające tlenek metalu i materiał węglowy w kierunku do końca wyjściowego komory, środki wprowadzające utleniacz do komory, piec wytopowy połączony z końcem wyjściowym komory do odbierania produktu metal-węgiel z komory oraz środki do rozdzielania gazów odlotowych, roztopionego żużla i roztopionego metalu.

Korzystnie, urządzenie zawiera zbiornik do przyjmowania roztopionego metalu i roztopionego żużla z pieca wytopowego.

Korzystnie, urządzenie zawiera zbiornik do przyjmowania roztopionego metalu i roztopionego żużla z pieca wytopowego w trybie zanurzeniowym.

Korzystnie, komora zawiera strefę promieniowania, promieniującą energię cieplną w kierunku wyjściowego końca komory.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki równoważenia ciśnienia.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki do wprowadzania utleniacza, które są przystosowane do selektywnego dosuwania i odwodzenia.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki wprowadzania utleniacza funkcjonalnie połączone z piecem wytopowym.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki grzania indukcyjnego funkcjonalnie połączone z piecem wytopowym.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki doprowadzania dodatkowego ciepła do pieca wytopowego.

Korzystnie, środki doprowadzania dodatkowego ciepła do pieca wytopowego zawierają środki grzania indukcyjnego.

Korzystnie, środki doprowadzania dodatkowego ciepła do pieca wytopowego zawierają środki wprowadzania utleniacza.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki dostosowane do wprowadzania utleniacza oraz paliwa.

Korzystnie, urządzenie zawiera popychające urządzenie, doprowadzające tlenek metalu i materiał węglowy do końca wejściowego komory i przetłaczające tlenek metalu i materiał węglowy w kierunku do końca wyjściowego komory, które formuje te materiały w postać rdzenia z otaczającym pierścieniem.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki do tworzenia rdzenia z materiału węglowego, otoczonego przez tlenek metalu.

Korzystnie, urządzenie zawiera środki wprowadzania utleniacza przystosowane do kierowania utleniacza w rdzeń.

Stwierdzono, że sposób i urządzenie według wynalazku pozwalają na wytwarzanie żelaza w postaci bezpośrednio zredukowanego żelaza, gorącego żelaza brykietowanego, produktu żelazo-węgiel i roztopionego żelaza. Roztopione żelazo może być następnie przetwarzane w stal bezpośrednio

PL 198 159 B1 w stanie roztopionym lub po odlaniu w gąski surówki, które są chłodzone, a następnie transportowane w postaci stałej do zakładu przetwórczego.

Sposób i urządzenie według wynalazku wymagają małych nakładów kapitałowych, co z kolei pozwala na ekonomiczne wytwarzanie produktu.

Ponadto, sposób wytwarzania metalu jest mniej szkodliwy dla pracowników, zarówno z punktu widzenia niebezpiecznych warunków pracy, jak i z punktu widzenia długoterminowych szkodliwych oddziaływań na zdrowie.

Opisany sposób i urządzenie mają zastosowanie przy przetwarzaniu różnych rud metali, takich jak rudy żelaza, aluminium, miedzi itd., obejmujących pyły, odpady i odrzuty takich surowców metalurgicznych. Ponieważ ruda żelaza jest dominującym surowcem w metalurgii, niniejszy opis koncentruje się przykładowo na przetwarzaniu rudy żelaza w procesie zwanym nawęglaniem z zastosowaniem materiału węglowego, takiego jak węgiel, w celu wytworzenia produktu żelazo-węgiel, który jest roztapiany z utleniaczem w procesie nazywanym „oksystapianiem”, by wytworzyć roztopione żelazo.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do wytwarzania produktu metal-węgiel, fig. 2 przedstawia przekrój wzdłuż linii 2-2 z fig. 1 reaktora, fig. 3 przedstawia odmianą komory reaktora z fig. 1, fig. 4 przedstawia widok końcowy z fig. 1, przedstawiający wiele reaktorów z wyjściem do pojedynczego homogenizującego pieca wytopowego, fig. 5 przedstawia aparaty do wytwarzania bryłek zredukowanego żelaza oraz chłodzenia tych bryłek przed ich wyprowadzeniem na powietrze, fig. 6 przedstawia inne aparaty do wytwarzania żelaznych bryłek, fig. 7 przedstawia wyprowadzanie gorących bryłek zredukowanego metalu do zasobnika, fig. 8 przedstawia doprowadzanie materiałów do systemu w kolejnych etapach 8-1 do 8-6 z pokazaniem różnych położeń urządzenia zasilającego, w którym tworzony jest rdzeń paliwowy otoczony rudą, która ma zostać zredukowana, zaś fig. 9 przedstawia przekrój wzdłuż linii 9-9 z ^fig. ⁸.

Na figurach przedstawiono pewne konstrukcje urządzenia do praktycznej realizacji sposobu według wynalazku, które jako takie odnoszą się do wytwarzania żelaza w postaci bezpośrednio zredukowanego żelaza, gorącego żelaza brykietowanego, produktu żelazo-węgiel i roztopionego żelaza. Roztopione żelazo może być następnie przetwarzane w stal bezpośrednio w stanie roztopionym lub po odlaniu w gąski surówki, które są chłodzone, a następnie transportowane w postaci stałej do zakładu przetwórczego. Należy rozumieć, że opisany tu sposób i urządzenie nie są ograniczone jedynie do przetwarzania surowców zawierających żelazo.

Na figurze 1 przedstawiono reaktor 10 do traktowania rudy żelaza węglem w celu otrzymania wyrobu żelazo-węglowego. Taka obróbka rudy jest dalej nazywana nawęglaniem. Ten wyrób żelazowęgiel jest w homogenizacyjnym piecu 11 roztapiany z utleniaczem, aby wytworzyć roztopiony metal i żużel, przy czym proces ten jest dalej nazywany wytapianiem tlenowym. Do homogenizacyjnego pieca 11 dołączona jest pionowa rura 12. Przewidziany jest metalowy zbiornik 13 do odbierania roztopionego metalu i żużla. Na fig. 4 przedstawiono system 14 magazynowania surowców. System ten zawiera leje 58, 59 i 60 do magazynowania materiałów doprowadzanych do procesu, takich jak ruda, węgiel i topnik. Mieszarka 61 służy do mieszania materiałów doprowadzanych do zamykanego leja 36, który jest wyposażony w górny zawór 84 i dolny dozownik 62.

Wracając do fig. 1, aby bardziej szczegółowo opisać konstrukcję umożliwiającą praktyczną realizację sposobu według wynalazku, reaktor 10 złożony jest z popychającego urządzenia 15, które ma suwak 16 przy wejściowym końcu reaktora 10, służący do wpychania we wnękę 17 wymieszanego wsadu, który spadł z leja 36. Suwak 16, poruszany przez popychające urządzenie 15 ściska wsad i wprowadza go w komorę 28, która zwęża się na swej długości. Komora 28 jest połączona z wnęką 17 i jest utworzona przez wytrzymałą na ciśnienie skorupę 26, izolację 27 i grzejny element ścienny 25. Palnik 19 jest z kolei połączony z grzejnym elementem 25 poprzez wlotowy otwór 29. Grzejny element 25 ma kanały 53 (fig. 2). Służą one jako przewód do kierowania gorących gazów z palnika 19 poprzez wlot 29 do przepływu przez kanały 53 wzdłuż długości komory 28 i do wychodzenia z komory poprzez wylot 30. Wyjściowy koniec 20 komory 28 jest przymocowany do kolanka 21. Kolanko 21 jest skonstruowane tak, że ma odbijającą ścianę 23 wyłożoną izolacją i zamkniętą wewnątrz obudowy ciśnieniowej, aby utworzyć strefę promieniującą do odbijania intensywnej energii cieplnej na materiał poddawany nawęglaniu przy wyjściowym końcu 20. W kolanko 21 wmontowana jest pierwsza lanca 22 (lub wiele takich lanc). Lanca 22 jest zbliżana lub oddalana od obrabianego materiału. Sterownik 24 służy do sterowania dopływu powietrza/tlenu i chłodziwa, które są potrzebne do pracy lancy 22. Lanca 22 może również doprowadzać paliwo do celów rozruchowych.

PL 198 159 B1

Reaktor 10 jest połączony z homogenizującym piecem wytopowym 11 za pomocą kanału 32, który kieruje zredukowany materiał (produkt żelazo-węgiel) z komory 28 do homogenizującego pieca wytopowego 11, który zawiera skorupę 85, wyłożenie 86, wierzch 87 i dno 88. Druga lanca 34 służy do doprowadzania utleniacza w postaci powietrza lub tlenu (albo ich połączenia) celu przeprowadzenia reakcji z węglem w produkcie żelazo-węgiel i z gazami wytworzonymi w procesie, by dostarczać ciepło potrzebne do roztopienia zredukowanego żelaza w produkcie żelazo-węgiel, w celu otrzymania roztopionego żelaza 42 i roztopionego żużla 43, który pływa na wierzchu roztopionego żelaza 42. Lanca 34, która jest utrzymywana w stanie zimnym, jest podnoszona i opuszczana za pomocą podnośnika 39, by regulować jej poziom na wysokość roboczą w homogenizującym piecu wytopowym 11. Spustowy otwór 31 usytuowany przy dnie homogenizującego pieca wytopowego 11 jest połączony z pionową rurą 12. Poprzez spustowy otwór 31 przepływają gazy, roztopione żelazo i roztopiony żużel. Wylot 47 gazów odlotowych jest dołączony do pionowej rury 12, aby odprowadzać boczny strumień takich gazów w celu kontrolowania. Strumień ten jest kierowany do cyklonowego oddzielacza 46 poprzez kolektor 37. Zarówno roztopione żelazo, jak i roztopiony żużel spadają do zbiornika 13, przy czym większość gazów wypływa wraz z żelazem i żużlem. Cyklonowy oddzielacz 46 połączony z wylotem 47 oddziela ciała stałe od gazów odlotowych. Pod cyklonowym oddzielaczem 46 umieszczony jest wyrównawczy zasobnik 40, który prowadzi do zamkniętego zbiornika 41. Zawory sterujące 44 i 45 zamykają i otwierają ten zamknięty zbiornik 41, aby wyprowadzać zebrany materiał ziarnisty do zbiornika 33, który jest w układzie recyrkulacji materiałów doprowadzanych do reaktora 10. Regulator 50 reguluje przeciwciśnienie homogenizującego pieca wytopowego 11 i reaktora 10, a za cyklonowym oddzielaczem 46 umieszczona jest pionowa rura. Boczny strumień wypływa z systemu kanałem 49 do dalszej obróbki w oczyszczalni gazu, która nie została pokazana, ale jest znana.

Dno 88 homogenizującego pieca wytopowego 11 ma kształt stożka ze spustowym otworem 31 połączonym z pionową rurą 12, która z kolei jest połączona w układzie zanurzeniowym ze zbiornikiem 13 metalu. Zastosowano indukcyjne uzwojenie grzejne 35 dostarczające ciepło pomocnicze, by zapewnić, że roztopiony metal i roztopiony żużel nie zakrzepną podczas wypływania z homogenizującego pieca wytopowego 11. Gdyby takie krzepnięcie wystąpiło, zwłaszcza kiedy homogenizujący piec wytopowy 11 jest wyłączony, indukcyjne uzwojenie grzejne jest zasilane, by roztopić zakrzepłe żelazo i żużel. Wyłożenie pionowej rury 12 jest wykonane z takiego materiału, który może być sprzęgany z indukcyjnym uzwojeniem grzejnym 35. Metalowy zbiornik 13 tworzy wyłożoną komorę obrotową wokół rolkowego łoża 93, by umożliwić wylewanie roztopionego żelaza 42 poprzez spustowy otwór 55 do kadzi 51 i żużla 43 poprzez rynnę spustową 54 do kotła 52.

Na figurze 3 przedstawiono zmodyfikowaną konstrukcję reaktora 10, w której uniknięto stosowania grzejnego elementu 25 wzdłuż komory 28. W konstrukcji tej ciepło jest doprowadzane przez lancę 22, która jest przeznaczona do wprowadzenia w złoże 28 za pomocą utleniacza po przeprowadzeniu zapłonu. Lanca 22 jest wyposażona w infekcyjną końcówkę 48, która może posiadać wielokierunkowe dysze do wprowadzania utleniacza w kilku kierunkach. Lanca 22 ma pomocnicze dysze 92 utleniacza do spalania węgla i koksu w mieszaninie, jak również gazów wytwarzanych z węgla we wsadzie. Grzejna komora 28 jest przykładowo wykonana jako konstrukcja złożona, która ma metalową część 117 i ogniotrwałą część 27.

Na figurze 4 przedstawiono konstrukcję, w której wiele reaktorów, takich jak reaktor 10, zmontowanych jest obok siebie, by utworzyć baterię 104, przy czym reaktory 10 odprowadzają produkt żelazo-węgiel do wspólnego homogenizującego pieca wytopowego 11. Reaktor 10, który jest usytuowany na poziomie ziemi służy jako reaktor zapasowy. Żuraw 63 służy do obsługiwania baterii 104.

Na figurze 5 wynalazek jest skonfigurowany tak, aby wytwarzać bezpośrednio zredukowane żelazo (DRI) lub produkt żelazo-węgiel, który może być wytapiany w innym miejscu. Do reaktora 10 dołączony jest odbierający zasobnik 64, za którym następuje chłodnica 65. Chłodnica 65 może przyjmować jedną z kilku znanych postaci, łącznie z chłodzonym podajnikiem ślimakowym 38. Chłodnica doprowadza bezpośrednio zredukowane żelazo lub produkt żelazo-węgiel do zasobnika 66. Poniżej zasobnika 66 zamykany zasobnik 67 umożliwia wyprowadzanie bezpośrednio zredukowanego żelaza lub produktu żelazo-węgiel z zachowaniem szczelności na zewnątrz i na przenośnik 70 z wykorzystaniem zaworów 68 i 69. Oddzielacz cyklonowy, podobny do oddzielacza cyklonowego 95 pokazanego na fig. 6 i opisanego niżej może być zastosowany do oddzielania zabieranego materiału cząstkowego.

Na figurze 6 pokazano reaktor 10 z kolankiem 21. Pod kolankiem 21 usytuowane jest przejście 94, przez które nawęglony materiał jest wyprowadzany pionowym przewodem 73 do urządzenia 71 do brykietowania na gorąco, które służy do wytwarzania brykietów z nawęglonego materiału.

PL 198 159 B1

Podajnik ślimakowy 72 jest umieszczony przed brykieciarką 71, by sterować doprowadzaniem materiału do brykieciarki. Pod brykieciarką 71 umieszczony jest zasobnik 74, a następnie zamykany zasobnik 75, by odprowadzać ukształtowane brykiety na zewnątrz i na przenośnik 70. Zawory 76 i 77 służą do zamykania i otwierania zamykanego leja 75.

Do przejścia 94 za pomocą rury 78 dołączony jest oddzielacz cyklonowy tak, aby przepuszczać gorące gazy poprzez oddzielacz cyklonowy 95, w celu usunięcia z nich materiału cząstkowego. Przejście 94, które ma powierzchnie zderzeniowe, takie jak kaskadowo umieszczone przegrody 89, sprzyja rozdrabnianiu gorącego materiału nawęglonego, by uwolnić nadmiar materiału cząstkowego. Materiał taki, porywany przez gazy odlotowe jest oddzielany w oddzielaczu cyklonowym 95. Oddzielacz cyklonowy 95 jest wyposażony w regulator 98 ciśnienia, a za zasobnikiem 96 usytuowany jest zamykany lej 97. Pod zamykanym lejem 97 umieszczony jest zbiornik 79 przyjmujący cząstkowy materiał usunięty z gazów, by zawrócić go do obiegu (nie pokazano).

Na figurze 7 pod zamykanym lejem 75 umieszczona jest skrzynia 118 na produkt żelazo-węgiel, który ma zostać odtransportowany za pomocą znanych środków, takich jak wózek widłowy, do dalszego przetwarzania. Skrzynia 118 ma taką konstrukcję, że jest izolowana i przyjmuje gorący produkt, by zaoszczędzić energię cieplną i zapobiec wtórnemu utlenieniu produktu.

Na figurze 8 przedstawiono konstrukcję służącą do doprowadzania materiału węglowego w postaci rdzenia otoczonego rudą metalu. Magazyn 80 materiałów zawiera lej 81 na materiał węglowy (paliwo) i lej 82 na rudę. Podajniki 101 i 102 sterują przepływem paliwa i rudy z lejów 81 i 82. Zawory 103 i 105 obsługują zamykany lej 81, a zawory 104 i 106 obsługują zamykany lej 82. U dołu magazynu 80 materiałów umieszczona jest doprowadzająca rura 83, po bokach której z jednej strony usytuowane jest urządzenie doprowadzające 90, a po drugiej stronie reaktor 10. Doprowadzające urządzenie 90 złożone jest z popychającego suwaka 99 i popychającego tłoka 100, przy czym suwak 99 jest dosuwany i odwodzony za pomocą siłownika, takiego jak cylindry 107, a tłok 100 jest dosuwany i odsuwany za pomocą siłownika, takiego jak cylinder 108, przez co zapewniono niezależny ruch albo suwaka 99 albo tłoka 100, z tym, że tłok 100 jest umieszczony wewnątrz suwaka 99, który ma kształt pierścieniowy i który z kolei jest umieszczony wewnątrz doprowadzającej rury 83. Suwak 99 przechodzi przez doprowadzający otwór 109, aby umożliwić wrzucanie paliwa do komory, kiedy tłok 100 jest w położeniu odwiedzionym. Dalsze objaśnienia zostaną podane w szczegółowym opisie działania przy tworzeniu rdzenia na podstawie fig. 8-1 do 8-6.

Szczegółowy opis działania

Przy szczegółowym objaśnianiu opisanego tu sposobu i urządzenia opis będzie następujący:

(i) tryb doprowadzania rudy i węgla oraz grzania tych materiałów w celu nawęglenia rudy, by uzyskać produkt metal-węgiel oraz (ii) roztapianie produktu metal-węgiel, by uzyskać roztopiony metal przez wytapianie w obecności tlenu.

Nawęglanie, w którym tworzony jest rdzeń z paliwa w doprowadzanym tlenku metalu (ruda) przedstawiono na fig. 8, na kolejnych fig. 8-1 do 8-6 oraz na fig. 9. Na fig. 8-1 zarówno suwak 99, jak i tłok 100 pokazano w położeniu dosuniętym z rdzeniem paliwowym 110 i otaczającym go tlenkiem 111. Tłok 100 jest odwodzony do położenia pokazanego na fig. 8-2 za pomocą cylindra 108 przy równoczesnym utrzymywaniu suwaka 99 w położeniu dosuniętym. Odmierzona ilość paliwa 112 (węgla) wrzucana jest do komory 113 poprzez doprowadzający otwór 109. Następnie tłok 100 zostaje częściowo dosunięty by popchnąć paliwo 112 w kierunku do tego rdzenia paliwowego, który został wprowadzony i zagęszczony w poprzednim cyklu, jak pokazano na fig. 8-3. Następnie suwak 99 zostaje odwiedziony z wykorzystaniem pełnego skoku cylindrów 107, natomiast tłok 100 jest zatrzymany w położeniu częściowo dosuniętym. Odmierzona ilość tlenku 114 jest wrzucana do komory 115, jak pokazano na fig. 8-4, przy czym komora ta otacza tłok 100. Następnie zarówno suwak 99, jak i tłok 100 są równocześnie dosuwane. Początkowo luźne materiały zaczynają być zagęszczane, jak pokazano na fig. 8-5 przez 116, a w miarę postępu dosuwania suwaka 99 i tłoka 100 paliwo i tlenek zostają całkowicie zagęszczone z utworzeniem rdzenia wewnątrz tlenku tak, że tlenek całkowicie otacza rdzeń paliwowy. Po zagęszczeniu ruch dosuwania suwaka 99 i tłoka 100 nadal trwa i cała zawartość reaktora 10 zaczyna być przemieszczana, by spowodować wyprowadzenie gorącego produktu metal-węgiel z wyjściowego końca reaktora 10, jak pokazano na fig. 8. Wyprowadzanie produktu kończy się, gdy suwak 99 i tłok 100 są całkowicie dosunięte. Przy końcu ruchu suwaka 99 i tłoka 100 wzajemne usytuowanie suwaka i tłoka, pokazane na fig. 8-6, jest takie samo jak pokazano na fig. 8-1. W tym punkcie cykl jest zakończony.

PL 198 159 B1

Tworzenie paliwowego rdzenia 110 przeprowadzane jest cyklicznie, by wytwarzać rdzeń 110 otoczony tlenkiem 111, jak pokazano w przekroju poprzecznym na fig. 9. Ten powtarzalny cykl wytwarza zatem rdzeń paliwowy otoczony tlenkiem na długości komory 28 reaktora 10.

Operacja nawęglania, przedstawiona na fig. 1, 3 i 4, przebiega następująco. Zakładając stan ustalony i istnienie ciśnienia w procesie, ruda (korzystnie w postaci drobnoziarnistego koncentratu), węgiel i topnik są zawarte w układzie 14 doprowadzania materiałów i są one proporcjonalnie mieszane i doprowadzane w postaci mieszaniny poprzez lej 36 do wnęki 17 komory 28. Następnie suwak 16 jest uruchamiany przez popychające urządzenie 15, by zagęścić mieszaninę do takiego stopnia, by była ona zasadniczo nieprzepuszczalna, jak pokazano w zagęszczonej sekcji 18 przy wejściowym końcu reaktora 10. Gdy mieszanina jest przemieszczana w komorze 28 reaktora 10, jest ona ogrzewana przez promieniowanie, przewodzenie, unoszenie lub ich połączenie, aby powodować wyzwalanie gazów z węgla, przy czym nieprzepuszczalność mieszaniny zmusza te gazy do przepływu wewnątrz komory 28 w kierunku do wylotowego końca 20. Część tych gazów jest spalana przy końcu wyjściowym, aby utworzyć silnie promieniującą strefę, w celu odbijania intensywnej energii cieplnej do mieszaniny, aby nagrzewać tę mieszaninę do takiej temperatury, by wywołać reakcję tlenu w rudzie z silnie redukującymi gazami wyzwalanymi z węgla i/lub z resztkowym węglem w celu redukowania rudy do metalicznego żelaza. Aby zwiększyć przenoszenie ciepła do mieszaniny zastosowano lance, takie jak lanca 22, które są przeznaczone do wprowadzania utleniacza w postaci powietrza, tlenu lub ich połączenia w mieszaninę materiałów wewnątrz komory 28, gdy mieszanina ta jest przemieszczana w komorze 28. Ponadto lance te, które są chłodzone chłodziwem, są również przystosowane do dosuwania i odwodzenia dla optymalnego przenoszenia ciepła. Wprowadzanie utleniacza za pomocą lancy może również przyjmować postać penetracji w samą mieszaninę, jak pokazano na fig. 1 i 3, z dodatkowymi strumieniami utleniacza (patrz 99) do dopalania, aby dodatkowo zwiększyć przenoszenie ciepła do mieszaniny. W przypadku, gdy żadne ciepło przewodzenia nie jest doprowadzane poprzez ścianę komory 28, lanca 22 może mieć postać palnika tlenowego na węgiel, gaz lub olej do inicjowania spalania, przy czym po zapaleniu gazów węglowych i węgla dopływ paliwa z lancy zostaje odcięty a węgiel i jego gazy dostarczają energii cieplnej potrzebnej do podtrzymywania reakcji wytwarzania produktu żelazo-węgiel, który jest wyprowadzany do homogenizującego pieca wytopowego 11. Alternatywnym rozwiązaniem może być doprowadzanie paliwa poprzez lancę 22, np. przez wprowadzanie sproszkowanego węgla na rudę. Możliwe jest również połączenie opisanych tu rozwiązań i innych znanych rozwiązań.

Wytworzony tym sposobem produkt żelazo-węgiel jest stosunkowo lekki w porównaniu z gęstością nasypową rudy żelaza, a zwłaszcza w porównaniu z roztopionym metalem. Ponadto, wymiary produktu żelazo-węgiel wyprowadzanego z reaktora są zróżnicowane i niejednorodne. Kiedy produkt taki jest wprowadzany do pieca wytopowego, zawierającego roztopiony metal i żużel, produkt żelazo-węgiel wypływa na wierzch żużla i roztopiony metal powoduje ograniczenie zdolności wytwórczej i straty energii ze względu na niemożność łatwego przejścia produktu żelazo-węgiel w roztwór. Właśnie w tym celu zastosowano piec wytopowy, działający również homogenizująco, pozbawiony kąpieli roztopionego metalu i roztopionego żużla, mający postać homogenizującego pieca wytopowego 11, który jest zdolny do odprowadzania roztopionego żelaza i roztopionego żużla w trakcie ich wytwarzania.

Poniżej na podstawie fig. 1 zostanie opisane wytapianie produktu metal-węgiel w obecności tlenu. Wewnątrz homogenizującego pieca wytopowego 11 lanca 34 dostarcza tlenu do roztapiania gorącego produktu żelazo-węgiel, doprowadzanego z reaktora 10 pionowym kanałem 32. Utleniacz reaguje z gazami i z węglem z etapu nawęglania, powodując uwalnianie znacznej energii, która roztapia żelazo w produkcie żelazo-węgiel, skałę płonną, która była składnikiem tlenku żelaza, popiół z węgla, jak również topnik/materiał odsiarczający, użyty jako dodatek by wytworzyć roztopione żelazo i roztopiony żużel, które nieprzerwanie wypływają z homogenizującego pieca wytopowego 11 poprzez spustowy otwór 31 wraz z różnymi wytworzonymi gorącymi gazami pod ciśnieniem. Takie gazy przepływając przez spustowy otwór 31 podtrzymują wypływanie roztopionego żelaza i żużla z homogenizującego pieca wytopowego 11 do zbiornika 13 pionową rurą 12, której koniec jest zanurzony w roztopionym metalu wewnątrz zbiornika 13. Zanurzenie takie zapewnia uszczelnienie cieczowe, które utrzymuje ciśnienie w układzie.

Za pomocą regulacyjnego zaworu 50 przeciwciśnienie w reaktorze 10, homogenizującym piecu wytopowym 11 i pionowej rurze 12 jest równoważone, podczas gdy gazy wytworzone w trakcie nawęglania w reaktorze 10 i gazy wytworzone podczas wytapiania w obecności tlenu w homogenizującym piecu wytopowym 11 są prowadzone razem z roztopionym metalem i roztopionym żużlem do zbiornika

PL 198 159 B1

13, gdzie gazy te wydostają się pęcherzykami z kąpieli i są spalane, wyzwalając dodatkowo energię, przy doprowadzaniu tienu poprzez dyszę 119. Gaz odlotowy jest zbierany w kołpaku 120 do nie pokazanego aie znanego oczyszczania. Metaliczny pył, węgiel i popiół porwane w takich gazach pozostają w kąpieli, ponieważ kąpiel służy jako mokra płuczka, co zwiększa uzysk roztopionego metalu. Boczny strumień takich gazów, przepływający przewodem 37, jest wykorzystywany do regulacji ciśnienia za pomocą zaworu 50 i są one kierowane do oczyszczenia do oddzielacza cyklonowego 46 poprzez wylot 47. Cząstkowy materiał oddzielony w oddzielaczu cyklonowym 46 jest zawracany do obiegu wraz z materiałami zasilającymi, a pomocnicze ciepło, jeśli trzeba, jest utrzymywane w pionowej rurze 12 za pomocą indukcyjnego uzwojenia grzejnego 35. Reaktor 10 i homogenizujący piec wytopowy 11 mają umyślnie utrzymywane redukujące warunki działania, aby przeciwdziałać powtórnemu utlenieniu żelaza i zmniejszyć do minimum powstawanie NO_X oraz CO2, przy równoczesnym zapewnianiu warunków skutecznego odsiarczania, by usuwać siarkę pochodzącą z węgla.

Przy stosowaniu tego wynalazku do metali nieżelaznych można wprowadzić odmiany w stosunku do opisanego rozwiązania. Jednakże nie stanowi to odejścia od idei niniejszego opisu. Przedmiotowy wynalazek stanowi poważne ulepszenie w stosunku do konwencjonalnej praktyki hutniczej, które umożliwia użycie tańszych surowców jest sprawniejsze energetycznie, przyjazne dla środowiska i wymaga niskich nakładów.

Claims (50)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ten-miczny sposób wytwarzania me-ato z tlenku me^u na przeewarzania tlenku metalu z materiałem węglowym w jednej lub wielu komorach, przy czym każda z tych komór ma koniec wejściowy i koniec wyjściowy, wytworzeniu gorącego produktu metal-węgiel i roztopieniu tego produktu w piecu wytopowym, znamienny tym, że doprowadza się tlenek metalu i materiał węglowy do końca wejściowego komór i przetłacza się ten tlenek metalu i materiał węglowy do końca wyjściowego komór, wprowadza się utleniacz do komory, przy czym wykorzystuje się przynajmniej część energii zawartej w materiale węglowym do wyzwolenia energii cieplnej oraz do wytworzenia sprężonych gazów redukujących, następnie wytworzony gorący produkt metal-węgiel wyprowadza się z komór do pieca wytopowego, ogrzewa się gorący produkt metal-węgiel w piecu wytopowym, przy czym wytwarza się gorące sprężone gazy odlotowe, roztopiony metal i roztopiony żużel oraz rozdziela się gazy odlotowe, roztopiony żużel i roztopiony metal.
2. 2. Spooób według zasEr. t, znnmiennntym, że z doprowaazanego do j ednei i ub wielu komór tlenku metalu i materiału węglowego tworzy się rdzeń z pierścieniowym otoczeniem i popycha się tlenek metalu i materiał węglowego w kierunku do wyjściowego końca komory.
3. 3. Spooób według zassrz. t albo 2, znamiennn tym, że utteniacz wprowadza sśę w wyyściowy koniec jednej lub wielu komór.
4. 4. Spooób według zaasrz. t albo 2, znamiennytym, że komoryzą połącczoe zz sobąw bbaerię, przy czym każda komora jest oddzielnym modułem.
5. 5. Spooób wedłuu zassiz. 1, tym, że w piecu wytopowym ssę co najmnier część węgla podczas grzania produktu metal-węgiel.
6. 6. Spooób według zbiSz. 1, znamienny tym, że etapy pfoceeu ssę w równowadze poprzez regulowanie ciśnienia.
7. 7. Spooób według zasSz. 1, znamiennn tym. że dodatkowo ogrzewa ssę piec wytopowy za pomocą uzwojenia indukcyjnego.
8. 8. Spooób według zastez. 7, zr^<^r^i(^r^r^y<tt^m, ke sgupprnia s^^ zrzzaiei indukcyjn ppopzzz Zodanie utleniacza.
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako utleniacz stosuje się zasadniczo czysty tlen.
10. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny ty,, że jako utleniacz stosuje się powietrze.
11. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny ty,, że jako utleniacz stosuje się powietrze wzbogacone tlenem.
12. 12. Sposób według zasstz. 1, znamienny tym, że za końcem wytściowym \ edneż iub wi^Ilu komór stosuje się strefę grzania przez promieniowanie, przy czym energia cieplna odbija się w kierunku do przetwarzanych materiałów.

    PL 198 159 B1
13. 13. Sposób według zastrz. 1 , z namiennytym, że dodatkowoogrzewa sięmateriatyw komorze poprzez sgrewwsnid Osmsry, prawa Otbrą przepuszczs się gsrącw gsey prawa rury usytuowane w ścianie Osmsry.
14. 14. Sppsób weeługzzstrz. 1, z namiennytym, że weroweSoe só;dosoS^o^^^e^eded3g;v'/ só^ede; prsmieniswsnis prada spalanie w niej gsabw.
15. 15. SppoSbweeług zastrZa 1 albo 2, z namiennytym. że mo^^dćJSłw komoiza ss przamieescasne i wyprswsaasne z tej Osmsry tsk, sOy pswtsraslnie twsrayć nswe casłs praetwsrasnych materiałów przy wyjściswym Osńcu Osmsry.
16. 16. SppoSb weeług zanSz. 1,z namiennytym. że ros-osiodemoral l ros-osiodeżegelweroswt Ozs się Os aOisrniOs.
17. 17. SppoSbweeługzzatrz. 16, znnmiennytym. że 1os-osiode mod^l l ros-osiodeżegel dasrowsOza się Os aOisrniOs a asnuraeniem zapewniającym uszczelnienie ciecaswe.
18. 18. SppoSbweeługzzntrz. 1 albo2, znnmiennytym. że stoosjesięasptatugę zanmoiętą, żoe OsntsOtu ae śrsOswisOiem.
19. 19. SppoSb weeług zanSz. 1 albo 2, znnmiennntym. że komo-a zawierazweęedeccaęś,która jest rsaOieens w OierunOu Os wyjściswegs Osńcs tej Osmsry.
20. 20. SpssbO weOług zastrz. 1 alOs 2, nnaminnny tym, ee tlenek metalu zawiera tlenek eelsas.
21. 21. SpssbO weOług zastrz. 1 alOs 2, nnaminnny tyi, ee materiał węglswy zawiera węgiel.
22. 22. SppoSbweeług zznSrz.1 ₁ znnmiennytym. że dasroweSaasięros-osiodemorall ros-osiode eueel Os aOisrniOs wraz a przepływem gsabw, Otbre są spalane i Osstarczają energii cieplnej.
23. 23. SppoSbweeługzeatrz. T znnmiennytym. że żc>mosgdizejesię rod-ooiooe modal w aieeu wytspswym.
24. 24. SpssbO weOług zastrz. 1, nnaminnny tyi, ee hsmsgeniauje się rsatspisny metal w eelsas.
25. 25. SppoSbweeług zanSz. T znnmiennytym. że żPdeSło żSormaje żhmosgdizaswnie 1os-opisnegs metalu w stal.
26. 26. SpssbO weOług zastrz. 1, nnaminnny tyi, ee wprswsaas się utleniacz as psmscą lancy.
27. 27. SpssbO weOług zastrz. 1, nnaminnny tyi, ee wprswsaas się utleniacz as psmscą wielu lanc.
28. 28. SppoSbweeług zanSz. 1 albO22 znnmiennytym. że da -ledkomoralui motenatuweęlower gs OsOsje się tspniOs.
29. 29. SppoSbweeług zanSz. 1 albO22 znnmiennytym. że da -ledkomoralui motenatuweęlower gs OsOsje się materiał sOsiarczający.
30. 30. SppoSbweeługzantrz. 1 albO22 znnmiennytym. że twe-zasię miedsankO żPSrzae werowsOzenie przynajmniej części materiału węglswegs Os tlenOu metalu.
31. 31. SppoSbweeługzznSz.2,znnmiennytym. że z weroswSaznkegda komo-y motenatuwet glswegs twsrzy się rOzeń paliwswy.
32. 32. SppoSb weeług zanStr. 31. znymienny tym, że kieraje się uuieniasc nn sdozń ppliwewe z wyjściswegs Osńcs Osmsry.
33. 33. SppoSbweeługzentrz. L znnmiennytym, że weyroweSaadkz kOm0rggiącc żroSaUt 20 tal-węgiel wprswsaas się najpierw Os aOisrniOs, a następnie wyprswsaas się gs ae aOisrniOs i wprswsaas Os pieca wytspswegs.
34. 34. SppoSb weeług zansz.33, znnmiennytym. że cMosa. sięproSaUtmoral-weęiel w z ZiomikO przeO wystawieniem gs ns Ozisłsnie stmssfery.
35. 35. SppoSbweeług żanStr. 233 znnmiennytym. że żroSaUt moral-weęiel brykieruje się sprze prswaOzeniem gs Os aOisrniOs.
36. 36. SppoSbweeług zanStr. ż3, znnmiennytym. że żrykieroswnk żroSaUt moral-weęielżUłoSa. się przeO wystawieniem gs ns Ozisłsnie stmssfery.
37. 37. UrzzCaanieda-ermicczkegwetwetzaniamoraluz Z I ediO 010^10^ nnmiennntym. że zawiee ra resOtsr (10) mający Osmsrę grzejną (28) pssiaOsjącą Osniec wejściswy i Osniec wyjściswy (20), pspychające urząOzenie (15), asprswsaasjące tleneO metalu i materiał węglswy Os Osńcs wejściswegs Osmsry i przetłaczające tleneO metalu i materiał węglswy w OierunOu Os Osńcs wyjściswegs Osmsry, śrsOOi wprswsaasjące utleniacz Os Osmsry, piec wytspswy (11) psłącasny a Osńcem wyjściswym Osmsry Os sOOiersnis prsOuOtu metal-węgiel a Osmsry sraz śrsOOi Os rszOzielsnis gsabw sOlstswych, rsatspisnegs euels i rsatspisnegs metalu.
38. 38. UrzzCaanieweeługzantrz.33, znnmiennntym. że zawierazZiomikt 113 da żrzajeloswnia rsatspisnegs metalu i rsztspisnegs euels z pieca wytspswegs (11).

    PL 198 159 B1
39. 39. Urcądzeniewedług zastrz.38, z namiennetym, że zawierazbiomik( 13) doprzyjmowania roztopionego mntslg i rwatwpiwnngw żużls a pincs wytwpwwngw w trybie asngranniowym.
40. 40. Urcądzaeiewenług zastrZaS), znnmliennntymi. że kooiora (28)zbwierastrefęproroιieeiowsnis, prominniujdcą nnnrgię cinplnd w OinrgnOg wyjściowngo Oońcs (20) komory (28).

    43. UradZannin wnZłgg asstra. 37, nnmminnnn tym, żn aswinrs środki równowsennis ciśninnis.
41. 42. Urządzaeiewenługzanrrz.33, znnmiennntymi. że zbwie-aśroOZi dzwerc>weSzaniautleniscas, Otórn są praystosowsnn Zo snlnOtywnngo Zosgwsnis i oZwoZannis.
42. 43. Urządzaeiewenług zastrZa 33, znnmiennntymi. że zbwiedaśrooZi werc>weSzaniautleeiasca fgnOcjonslnin połdcaonn a pincnm wytopowym.
43. 44. UrzadZanie zastrZa 33, znamliennn tymi, że zbwieda śrooZó gi^arna i ndZUOcjnego (35) fgnOcjonslnin połdcaonn a pincnm wytopowym (3 3).
44. 45. Urządzaeiewenługzantrz.33,znnmiennntymi. że zawie-aśrc>OZidzoroweSzaniadzOztkOr wngo cinpłs Zo pincs wytopowngo.
45. 46. Urcądzaeiewenługzantrz.4 4, znnmiennntymi. że n śdozó d zoroweSzaniad zOztkoweng οιθpłs Zo pincs wytopowngo aswinrsjd śroZOi grasnis inZgOcyjnngo.
46. 47. Urcądzaeiewenługzantrz.4 4, znnmiennntymi. że n śi^oZó d zoroweSzaniad zOztkoweng οιθpłs Zo pincs wytopowngo aswinrsjd śroZOi wprowsZasnis gtlnniscas.
47. 48. Urządzaeiewenługzantrz.33,znnmiennntymi. że zbwie-aśroOZi dzwtowswenddz wsZasnis gtlnniscas orsa psliws.
48. 49. Urządzaeiewenługzantrz.33,znnmiennntymi. że zawierappopyhająccurządzaeie( 13), ZoprowsZasjdcn tlnnnO mntslg i mstnrisł węglowy Zo Oońcs wnjściowngo Oomory i prantłscasjdcn tlnnnO mntslg i mstnrisł węglowy w OinrgnOg Zo Oońcs wyjściowngo Oomory, Otórn formgjn tn mstnrisły w postsć rZannis a otscasjdcym pinrścinninm.
49. 50. Urcądzaeiewenług śantrz. ś9, znnmliennntymi. że zbwieda śśdozó dztwerzaeia śdzaeia a mstnrisłg węglowngo, otocaonngo prana tlnnnO mntslg.
50. 53. Urządzaeiewenługzantrz.4 4, znnmiennntymi. że zbwiedaśraoZó weroweSzbnidutleeidszb praystosowsnn Zo Oinrowsnis gtlnniscas w rZanń.