PL205240B1 - Sposób wytwarzania metalicznego żelaza i żużlu poprzez wytop materiału wyjściowego zawierającego żelazo - Google Patents

Abstract

Proces wytwarzania metalu żelaza i żużlu poprzez wytop materiału zawierającego żelazo, zawierającego żelazo występujące jako tlenek, częściowo w stanie metalicznym lub ich kombinacje, w reaktorze zawierającym stopiona kąpiel posiadająca fazę żużlu, wykorzystuje wtryskiwanie paliwa/reduktora i gazu zawierającego tlen do żużlu wytwarza się co najmniej jeden obszar spalania w fazie żużlu stopionej kąpieli przez wtryskiwanie w stanie zanurzonym paliwa/reduktora i gazu zawierającego tlen przez co najmniej jedną zanurzona, lancę do generowania ciepła i warunków redukujących w co najmniej jednym obszarze redukcji w kąpieli. Materiał wyjściowy ładuje się do reaktora, razem z dodatkowym reduktorem i z topnikiem w lub w pobliżu tego co najmniej jednego obszaru redukującego, przez co materiał wyjściowy jest poddawany redukcji wytopu, co wytwarza gazy spalania zawierające CO i H2. Stosunek wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora reguluje się za pomocą tej co najmniej jednej lancy do wymaganych, wystarczających warunków redukcji; i prowadzi się wtórne spalanie w reaktorze powyżej kąpieli gazów spalinowych wytworzonych poprzez wytapianie. Etap regulowania (c) prowadzi się do osiągnięcia we wtryskiwanym gazie zawierającym tlen zawartości tlenu od około 40% objętościowych do około 100% objętościowych i do osiągnięcia wystarczającego stopnia spalania paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę przewyższającego 60% wagowych.

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania metalicznego żelaza i żużlu poprzez wytop materiału wyjściowego zawierającego żelazo.

Opis australijskiego patentu AU-B-25725/92 (AU 6562228), i odpowiadający patent US 5498277 przyznany dla Floyd'a i innych, ujawnia sposób wytopu żelaza z materiału zawierającego żelazo w reaktorze z zanurzoną od góry lancą, zawierającym kąpiel z żużlem. W tym rozwiązaniu, w co najmniej jednym obszarze są wytwarzane warunki ogrzewania i redukowania kąpieli przez wtrysk zawierającego węgiel paliwa/reduktora i gazu zawierającego tlen przez co najmniej jedną zanurzoną od góry lancę. Materiał lub materiały zawierające żelazo, dodatkowe reduktory zawierające węgiel i topniki są dostarczane do reaktora w obszarze redukowania lub w pobliżu tak, żeby podlegały stopieniu i redukcji przy wykorzystaniu węgla jako dodatkowego reduktora. Wtryśnięty gaz zawierający tlen ma zawartość tlenu od 40 do 100% objętościowych. W tym znanym rozwiązaniu stosunek wtrysku gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora jest regulowany w celu zapewnienia stopnia spalania paliwa/reduktora rzędu 40% wagowych do 50% wagowych. Produkty gazowe ze spalania, wytopu i reakcji redukcji mogą zawierać znaczne ilości składników redukujących obejmujących tlenek węgla i wodór, jak również jako pyły zawierać węgiel pierwiastkowy. Te gazy i pyły, które są wytwarzane z kąpieli, są poddawane wtórnemu spalaniu poprzez dodawanie wtórnego strumienia gazu zawierającego tlen do reaktora tak, żeby wytworzyć energię cieplną, która jest co najmniej częściowo przenoszona do kąpieli.

Podstawowe rozważania termodynamiczne i praktyka przemysłowa wskazują, że wytwarzanie metalicznego żelaza z tlenków żelaza wymaga bardzo niskich potencjałów tlenu atmosfery, rzędu mniej niż 10⁸, przy typowych temperaturach wytwarzania żelaza powyżej 1400°C. Aby żelazo mogło być wystarczająco stopione w tych temperaturach roboczych, warunki redukcji muszą być odpowiednie dla umożliwienia zatrzymania w stopionym żelazie typowo 3 do 4% wagowych węgla. W takich warunkach redukcji oczekuje się, że dwutlenek węgla i para wodna wytworzone w kąpieli będą działały jako utleniacze uniemożliwiające lub hamujące, przynajmniej częściowo, tworzenie żelaza metalicznego, jak również utlenianie zawartego węgla. Stąd, w procesie według opisu zgłoszenia patentowego AU-B-25725/92 (AU 626228), stechiometrie spalania paliwa/reduktora i gazu zawierającego tlen dostarczanego przez lancę są podane do górnej granicy 50% wagowych, przy którym to poziomie tylko małe ilości, jeżeli jakieś, utleniających substancji, takich jak dwutlenek węgla i para wodna, są wytwarzane w kąpieli przez spalanie paliwa/reduktora.

Ilość energii cieplnej wytworzonej w spalaniu zawierających węgiel paliw wynika ze spalania tlenku węgla do dwutlenku węgla i wodoru do pary wodnej. W celu odzyskania tej energii, sposób według opisu zgłoszenia patentowego AU-B-25725/92 (AU 656228) polega prawie wyłącznie na wtórnym spalaniu dla odzyskania wartości energetycznej paliwa.

Do wtórnego spalania wtryskiwany jest do obszaru gazowego reaktora dodatkowy gaz zawierający tlen, w celu spalenia wytworzonego tlenku węgla i wodoru, i węgla zawartego w porywanym pyle, tuż powyżej kąpieli. Energia jest pozyskiwana do kąpieli z tego spalania poprzez mechanizm obejmujący konwekcję i promieniowanie z obszaru gazowego, a także bezpośrednie przewodzenie do nowego wsadu i drobin rozpryskującego się żużlu przechodzącego przez obszar gazowy. Proces pozyskiwania energii z tego wtórnego spalania zasadniczo powoduje małą ekspozycję fazy metalicznego żelaza na utlenione gazy. Jednak, chociaż pozyskiwanie energii do kąpieli jest znaczne i znacząco korzystne ze względów praktycznych, wydajność odzysku energii jest znacznie mniejsza niż 100%, która to niska wydajność powoduje ogrzewanie gazów wylotowych reaktora w odniesieniu do temperatury kąpieli.

Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie sposobu wytopu materiału stanowiącego źródło żelaza, przy użyciu reaktora z lancą zanurzoną od góry, zawierającego kąpiel żużlową i mającego co najmniej jedną lancę zanurzoną od góry, w którym to wynalazku możliwe jest lepsze wykorzystanie energii cieplnej.

Według wynalazku, sposób wytwarzania metalicznego żelaza i żużlu poprzez wytop materiału wyjściowego zawierającego żelazo, w którym wytapia się żelazo z materiału wyjściowego zawierającego żelazo jako tlenek, częściowo w stanie metalicznym lub ich kombinacje, w reaktorze zawierającym stopioną kąpiel posiadającą fazę żużlu, przy czym wtryskuje się paliwo/reduktor i gaz zawierający tlen do żużlu przez co najmniej jedną zanurzoną lancę wytwarzając ciepło i warunki redukujące w co najmniej jednym obszarze redukcji w kąpieli, a materiał wyjściowy ładuje się do reaktora razem

PL 205 240 B1 z dodatkowym reduktorem i z topnikiem, w tym co najmniej jednym obszarze redukują cym lub w jego pobliżu, i poddaje się materiał wyjściowy redukcji z wytwarzaniem gazów spalania zawierających CO i H2, a jednocześ nie reguluje się stosunek gazu zawierają cego tlen i paliwa/reduktora, wtryskiwanych za pomocą tej co najmniej jednej lancy, doprowadzając do wymaganych, wystarczających warunków redukcji, zaś w reaktorze, powyżej kąpieli, poddaje się gazy spalinowe wytworzone w procesie wytapiania wtórnemu spalaniu, charakteryzuje się tym, że wtryskiwanie gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora reguluje się do osiągnięcia we wtryskiwanym gazie zawartości tlenu od 40% objętościowych do 100% objętościowych, i do osiągnięcia stopnia spalania paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę przewyższającego 60% wagowych.

Korzystnie, regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania przewyższającego 65% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę.

Regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania pomiędzy 65% wagowych i 90% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę, a korzystnie regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania pomiędzy 65% wagowych i 85% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę.

Jako paliwo/reduktor i dodatkowy reduktor zawierające węgiel korzystnie stosuje się nisko jakościowe paliwo, a regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania pomiędzy 60% wagowych i 75% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę.

Jako paliwo/reduktor i dodatkowy reduktor zawierające węgiel można stosować także wysoko jakościowe paliwo, a regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania co najmniej 70% paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę.

Spalanie wtórne gazów spalinowych prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania przewyższającego 0,2, określonego przez stosunek (CO2+H2O) do (CO+H2+CO2+H2O) dla gazów wylotowych reaktora. Korzystnie stosunek utleniania reguluje się do 0,95 do 1,0.

Paliwo/reduktor może zawierać co najmniej jeden materiał węglowy wybrany z węgla w postaci rozdrobnionej, oleju opałowego, gazu ziemnego, LPG.

Paliwo/reduktor może zawierać także węgiel w postaci rozdrobnionej, który wtryskuje się za pomocą gazu nośnego. Jako gaz nośny stosuje się co najmniej częściowo tlen wymagany do spalania paliwa z paliwa/reduktora. Gaz nośny może być też wybrany z azotu, tlenu, powietrza lub powietrza wzbogaconego tlenem.

Jako dodatkowy reduktor korzystnie stosuje się węgiel.

Jako dodatkowy reduktor można wprowadzać węgiel w stosunku od 20% do 60% wagowych materiału wyjściowego.

Jako topnik korzystnie stosuje się przynajmniej jeden materiał spośród wapnia, dolomitu, kalcynowanego wapnia, kalcynowanego dolomitu lub krzemionki.

Wytop prowadzi się w reaktorze w temperaturze od 1350°C do 1500°C.

Spalanie wtórne można prowadzić przez wdmuchiwanie do przestrzeni reaktora, powyżej ciekłej kąpieli, gazu zawierającego tlen wybranego z powietrza i tlenu wzbogaconego.

Spalanie wtórne prowadzi się w strefie spalania wtórnego w pobliżu powierzchni kąpieli, i wywołuje się rozpryskiwanie kropli żużlu z kąpieli poprzez wytworzenie turbulencji w kąpieli, przy czym energię cieplną w strefie spalania wtórnego przekazuje się kroplom żużlu przechodzącym z kąpieli przez strefę spalania wtórnego.

Strefę spalania wtórnego wytwarza się w pobliżu co najmniej jednego obszaru redukcji.

Materiał wyjściowy zawierający żelazo korzystnie obejmuje materiał w kawałkach lub aglomerowany.

Materiał wyjściowy zawierający żelazo jest co najmniej jednym z grubej rudy żelaza, rozdrobnionej rudy żelaza, pastylek, drobnych pastylek, piasku żelaza, residua żelaza, zgorzeliny, pyłu z kanałów dymowych stalowni, złomu żelaznego, materiału częściowo metalizowanego i wysoko żelazowego żużlu.

W procesie wedł ug niniejszego wynalazku, pierwotny gaz zawierają cy tlen i zawierają ce wę giel paliwo/reduktor są wtryskiwane do żużlu za pomocą co najmniej jednej lancy przy stosunku zapewnia4

PL 205 240 B1 jącym stopień spalania paliwa/reduktora, który znacznie przewyższa 50% wagowych. To oznacza, że stechiometria tlenu do paliwa/reduktora jest wyższa niż 50% wagowych.

Tak więc, według niniejszego wynalazku zapewnia się sposób wytopu odpowiedniego, zawierającego żelazo, materiału, w którym żelazo jest obecne jako tlenek i/lub częściowo w stanie metalicznym, przy czym wytwarza się co najmniej jeden obszar spalania w fazie żużlu stopionej kąpieli przez wtryskiwanie w stanie zanurzonym paliwa/reduktora i gazu zawierającego tlen przez co najmniej jedną zanurzoną lancę, a stosunki wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora są regulowane w celu zapewnienia stopnia spalania paliwa/reduktora przewyż szają cego 60% wagowych, zaś produkty gazowe ze spalania, reakcji wytopu i redukcji węgiel pierwiastkowy w pyłach porywanych z produktach gazowych, są poddawane wtórnemu spalaniu powyżej fazy żużlu do dostarczenia powstałej energii cieplnej do kąpieli.

W procesie wedł ug niniejszego wynalazku, materiał ź ródł a ż elaza, dodatkowy materiał reduktora i topnika są dostarczane do reaktora w pobliżu lub w odpowiedniej odległości od obszaru spalania wytworzonego przez wtrysk pierwotnego gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora.

Wtryskiwane paliwo/reduktor zawiera materiał mający składnik paliwa, który jest spalany dla zapewnienia energii cieplnej, i składnik reduktora, który nie jest spalany i dlatego jest dostępny jako reduktor w reakcjach wytapiania. W sposobie według wynalazku stosunek paliwa do reduktora w paliwie/reduktorze, co będzie wykazane, jest określony przez stosunek wtrysku gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora dla danego gazu zawierającego tlen. Przed rozpoczęciem wytapiania zapala się lancę w położeniu podniesionym w celu wytworzenia płomienia spalania zużywanego paliwa. Lancę następnie opuszcza się do zanurzenia jej dolnego końca w żużlu przy utrzymywanym płomieniu zapewniającym obszar spalania wewnątrz żużlu.

Jak wskazano powyżej, warunki termodynamiczne i praktyka przemysłowa uzasadniają wzrost oczekiwań, że stechiometrie tlenu do paliwa/reduktora wyższe niż 50% wagowych spowodują wzrost dwutlenku węgla i pary wodnej w kąpieli żużlu, który zapobiega lub utrudnia tworzenie się żelaza metalicznego, jak również utlenianie węgla i jakiegokolwiek występującego żelaza metalicznego. Jednak w niniejszym wynalazku nieoczekiwanie stwierdzono, ż e to przypuszczenie jest nieuzasadnione. Może to wynikać z powodu specyficznych czynników związanych z wtryskiwaniem w zanurzeniu od góry tlenu i paliwa/reduktora w połączeniu z zapewnieniem dodatkowego reduktora, lub w kombinacji z innymi czynnikami.

Oczekiwanie, że przy stechiometrii przewyższającej około 50% dwutlenek węgla i para wodna będą zapobiegać lub utrudniać tworzenie się żelaza metalicznego oraz utleniać węgiel i żelazo metaliczne, wynikają z prostego i typowego rozpatrzenia równowagi w wysokiej temperaturze. To jest zakłada się, że układ jest zasadniczo w równowadze przy tym samym potencjale redukcyjnym występującym w całej kąpieli reaktora. Wtryskiwanie w zanurzeniu od góry powoduje wysoki poziom turbulencji w żużlu, co uzasadnia takie założenie. Jednak pierwszym czynnikiem umożliwiającym zastosowanie takich stechiometrii przewyższających 50% jest to, że pomimo takich turbulencji w kąpieli można utrzymać obszary, w których potencjał redukcyjny jest odpowiednio wyższy niż w obszarach spalania wytworzonych przez daną lancę. To jest występuje nieoczekiwane odejście od teorii założonej równowagi układu z powodu istnienia znacznej różnicy w potencjale redukcyjnym pomiędzy odpowiednimi obszarami.

Alternatywny lub dodatkowy czynnik może być spowodowany odległością pomiędzy odpowiednimi obszarami. Ta odległość może wynikać z materiału wyjściowego żelaza, dodatkowego reduktora i materiał u topnika dodawanych do k ą pieli w miejscu oddalonym od obszaru spalania wytworzonego przez poszczególną lancę. Alternatywnie, odległość może wynikać z doprowadzania tych materiałów, które są wymiatane z obszaru spalania wytworzonego przez lancę wskutek turbulencji generowanej przez wtrysk przy zanurzeniu. W rzeczywistości, nawet gdy materiał wyjściowy żelaza, dodatkowy reduktor i materiał topnika są dodawane przy lancy lub blisko niej, mogą one być wymiecione z obszaru redukującego wytworzonego przez lancę, ponieważ wtrysk przy zanurzeniu zwykle następuje w stosunkowo głębokim miejscu w kąpieli żużlu. Także w przypadku dodatkowego reduktora w postaci grubego węgla, co jest zalecane, jego stosunkowo niska gęstość może powodować jego przepływ do powierzchni kąpieli, z dala od obszaru redukującego wytworzonego przez lancę.

Bez względu na czynnik lub kombinację występujących czynników, nieoczekiwana możliwość zastosowania stechiometrii przewyższającej 60% zapewnia polepszona wydajność działania.

Spalanie składników paliwa wtryśniętego paliwa/reduktora jest wymagane do wytworzenia energii cieplnej koniecznej do ogrzania zawartości reaktora do temperatury umożliwiającej szybkie

PL 205 240 B1 reakcje procesu i do utrzymania stopionej kąpieli. W związku z tym, że osiąga się bardziej całkowite spalanie w kąpieli, jest znacznie zwiększona wydajność bezpośredniej energii przejmowanej przez kąpiele i jest nieoczekiwane, że może ona być wykorzystana. Całkowity poziom energii przejętej przez kąpiel może być dodatkowo zwiększony przez wtórne spalanie jakichkolwiek pozostałych nie spalonych gazów, obejmujących tlenek węgla i wodór, wytworzonych w spalaniu pod powierzchnią, reakcje wytapiania i redukcji lub porywane pyły zawierające węgiel. Odzyskiwanie przez kąpiel energii cieplnej wytwarzanej z wtórnego spalania jest ciągle mniej wydajne niż odzyskiwanie energii ze spalania pod powierzchnią.

Dlatego całkowite odzyskiwanie energii z paliwa/reduktora, zarówno z bezpośredniego spalania pod powierzchnią i ze spalania wtórnego, jest zasadniczo zwiększone w procesie według wynalazku. Stąd zwiększenie stopnia spalania pod powierzchnią przez zwiększenie stechiometrii tlenu do paliwa poza wcześniej akceptowaną granicę 50% umożliwia zasadnicze zwiększenie intensywności wytwarzania żelaza dla danego poziomu zużycia paliwa lub odwrotnie, wynalazek zapewnia znaczne zmniejszenie poziomu zużycia paliwa dla danej wydajności produkcji żelaza. W każdym przypadku wytwarzanie żelaza jest bardziej efektywne ze względu na zużycie energii na jednostkę wytworzonego żelaza.

W sposobie według wynalazku, stechiometria wtryśniętego tlenu do składnika paliwa wtryśniętego paliwa/reduktora korzystnie przewyższa 65%. Stechiometria spalania lancy może być pomiędzy 60% i 100%, a bardziej korzystnie pomiędzy 65% i 90%. Stwierdzono, że osiąga się optymalne korzyści przy stechiometrii pomiędzy 65% i 85%.

Ogólnie jest pożądane stosowanie stechiometrii przewyższającej 60% w celu osiągnięcia znacznego zwiększenia wydajności wytwarzania żelaza. Jednak stwierdzono, że wymagany zakres stechiometrii zmienia się wraz z grubością, właściwościami chemicznymi i fizycznymi paliwa/reduktora lub jakiegokolwiek dodatkowych materiałów węglowych stosowanych w procesie. Na przykład, przy niskojakościowych paliwach zakres korzystnie może być od 60% do 75%, zaś przy wysokojakościowych paliwach, takich jak czarny węgiel, ten zakres może być od 70% do wartości dochodzącej do 100%.

Sposób według wynalazku wykorzystuje termiczną redukcję węglem tlenków żelaza do wytworzenia metalicznego żelaza. Pod powierzchniowe spalanie paliwa zapewnia energię cieplną konieczną do napędzania wytopu i reakcji redukcji. Chociaż wyższa stechiometria spalania w lancy odpowiednio zmniejsza poziom tlenku węgla i wodoru wytwarzanego przez bezpośrednie spalanie paliwa/reduktora, tlenek węgla i wodór są także wytwarzane w reakcjach wytapiania. Tak więc, w sposobie według niniejszego wynalazku wykorzystuje się spalanie wtórne do zwiększenia energii cieplnej przejmowanej przez kąpiel. To jest bardziej wydajne wykorzystanie paliwa uzyskane poprzez wzrost poziomu stechiometrii spalania lancy nie sprawia, że spalanie wtórne staje się niepotrzebne w celu maksymalizowania całkowitej wydajności działania.

Spalanie wtórne korzystnie prowadzi się do osiągnięcia stopnia utlenienia przewyższającego 0,2, określonego przez stosunek (CO2+H2O) do (CO+H2+CO2+H2O) dla gazów wylotowych reaktora. Stopień utlenienia jest regulowany korzystnie do około 0,95-1,0. Stopień utlenienia jest regulowany tak, aby osiągnąć maksymalny poziom przenoszenia ciepła do kąpieli, stały dla jakichkolwiek następnych zastosowań tych gazów przy braku ponownego utleniania kąpieli. Kolejne zastosowanie gazów może obejmować wstępne ogrzewanie materiałów wsadowych lub gazów i/lub wytwarzanie pary lub innych środków odzyskiwania energii z gazów.

Wtrysk w zanurzeniu od góry według niniejszego wynalazku zapewnia wystarczające warunki redukujące do wytwarzania żelaza metalicznego, przy jednoczesnym zapewnieniu zoptymalizowanego odzyskiwania energii w kąpieli. Wtryśnięte paliwo/reduktor może stanowić co najmniej jeden materiał z węgla w postaci rozdrobnionej, oleju opałowego, gazu ziemnego, LPG lub innych odpowiednich materiałów zawierających węgiel. W szczególności, w tym przypadku, gdy paliwo stanowi miał węglowy, paliwo jest wtryskiwane za pomocą gazu nośnego, a ten gaz nośny może zawierać co najmniej w części tlen wymagany do spalania paliwa. Gaz noś ny moż e alternatywnie zawierać mieszaninę gazu obojętnego, takiego jak azot z powietrzem, wzbogacone tlenem powietrze lub jedynie tlen, lub może być po prostu gazem obojętnym. Część tlenu wymaganego do spalania może być wtryśnięta jako przepływ przez lancę, który jest oddzielony od przepływu paliwa/reduktora, ze zmieszaniem tych oddzielnych przepływów występującym dopiero na dolnym końcu lancy i/lub w kąpieli żużlu. Gdy przynajmniej część tlenu jest wtryskiwana poprzez takie oddzielne przepływy, może ona zawierać sam tlen, powietrze wzbogacone tlenem lub takie gazy zmieszane z gazem obojętnym, takim jak azot.

PL 205 240 B1

Stosunek wtryskiwania pierwotnego tlenu i paliwa/reduktora jest regulowany do osiągnięcia wymaganych warunków spalania, a, jak wskazano, te warunki są wystarczająco zmniejszone. Tak więc, wtryskiwany pierwotny gaz zawierający tlen ma zawartość tlenu zwykle rzędu 40 do 100% objętościowych, i wystarczająca do stopnia spalania paliwa/reduktora przewyższającego 50%, korzystnie przewyższającego 60%.

Dodatkowym węglowym reduktorem korzystnie jest węgiel. Jest on korzystnie doprowadzany do kąpieli z materiałem wyjściowym żelaza, a bardziej korzystnie przy stosunku około 20 do 60% wagowych materiału wejściowego. Odpowiedni materiał topnika, taki jak przynajmniej jeden z wapnia, dolomitu, kalcynowanego wapnia, kalcynowanego dolomitu lub krzemionki, zależnie od materiału wyjściowego, może być także dostarczany z materiałem wyjściowym tak, że tworzy się odpowiednią płynną kąpiel. Dodatkowy węglowy reduktor i materiał wyjściowy mogą być dostarczane ciągle podczas operacji wytapiania, ze spuszczaniem żużlu lub metalicznego żelaza albo ciągłym albo porcjowym. Wsad może być w postaci niezależnych materiałów/lub być aglomeratem zawierającym pewne lub wszystkie składniki wsadu.

Mogą być używane różne postacie zanurzanych lanc. Jednak proces redukcji wytopu w sposobie według wynalazku wymaga stosunkowo wysokich temperatur w reaktorze, takich jak od około 1350°C do około 1500°C. Dlatego zanurzane od góry lance korzystnie są skonstruowane z odpowiedniej stali, na przykład stali nierdzewnej, lub innych odpowiednich materiałów takich, jak miedź, tlenki metali, ceramiki i ich kombinacje lub mieszaniny, włącznie z powłokami.

Chłodzenie lancy jest ogólnie konieczne poprzez dostarczanie do niej płynu chłodziwa podczas operacji wytapiania. W celu umożliwienia tego, lanca może być na przykład w postaci ujawnionej w międzynarodowym zgłoszeniu PCT/AU90/00466 (WO91/05214), złożonym 26.09.1990, lub w postaci ujawnionej w australijskim opisie patentowym AU 647669. Ujawnienie każdej z tych publikacji jest włączone do niniejszego i ma być odczytywane jako część ujawnienia niniejszego wynalazku.

Spalanie wtórne wymagane w sposobie według niniejszego wynalazku prowadzone jest za pomocą tlenu lub gazu zawierającego tlen, takiego jak powietrze lub powietrze wzbogacone tlenem, wdmuchiwanego do obszaru reaktora powyżej kąpieli żużlu. Spalanie wtórne odbywa się korzystnie w pobliż u powierzchni ką pieli, a najbardziej korzystnie w pobliż u obszaru redukcji, w celu osią gnię cia wysokiego poziomu przenoszenia ciepła do kąpieli żużlu. W każdym przypadku spalanie wtórne jest prowadzone w strefie spalania wtórnego bardzo blisko powierzchni kąpieli, wskutek czego krople żużlu rozpryskujące się z kąpieli, poprzez turbulencję wytwarzaną po wtryśnięciu, przechodzą przez strefę spalania wtórnego i zabierają energię cieplną z tej strefy.

Gaz zawierający tlen do spalania wtórnego może być dostarczony przez odpowiednie środki, takie jak za pomocą co najmniej jednego przewodu mającego jego koniec wylotowy powyżej powierzchni kąpieli. Alternatywnie, gaz może być wdmuchiwany do obszaru reaktora przez osłonięty przewód kończący się powyżej powierzchni kąpieli. Osłonięta lanca ujawniona w PCT/AU90/00466 i lanca z osłoniętym przewodem ujawniona w opisie australijskiego patentu AU 647669 są odpowiednie do tego celu.

Materiał wyjściowy żelaza może być w postaci kawałków, cząstek lub rozdrobniony, ale, zwłaszcza w przypadku materiału drobnego, korzystnie jest on w postaci aglomeratu sam lub z materiałem topnika i/lub węgla, w celu zapobiegania wydmuchiwaniu materiału wyjściowego z gazami opałowymi reaktora. Aglomeracja może być stosowana przy użyciu dodatku wody na śrubie wyrabiającej lub w innym odpowiednim urzą dzeniu.

Materiał wyjściowy żelaza i inne materiały, takie jak topnik i dodatkowy reduktor, najkorzystniej są ładowane w obszarze spalania, lub w jego pobliżu, powstającym z wtrysku pod powierzchnię przez odpowiednio usytuowany port załadowczy. Jednak pewne lub wszystkie materiały wyjściowe i topnik, gdy mają odpowiednią wielkość cząstek, mogą być ładowane do reaktora przez zanurzona od góry lancę. W obu przypadkach wtrysk podpowierzchniowy od góry najkorzystniej jest taki, że wytwarza znaczne turbulencje w obszarze spalania, zwykle ze znacznym wypiętrzeniem powierzchni kąpieli.

Materiał wyjściowy żelaza może zawierać lub stanowić rudę żelaza w postaci kawałków, materiału rozdrobnionego lub miału. Alternatywnie, może zawierać, lub stanowić, pastylki, cząsteczkowy materiał pastylkowy lub miał, piaski żelaza, residua żelaza, zgorzelinę, pył z kanałów dymowych stalowni, złom żelazny, materiały częściowo metalizowane i wysoko żelazowy żużel.

W celu lepszego zrozumienia wynalazku odniesiono się do dołączonego rysunku. Rysunek schematycznie przedstawia układ 10 reaktora z zanurzoną od góry lancą, w widoku przekroju w pł aszczyź nie pionowej rozcią gają cej się wzdł uż nie przez ukł ad 10.

PL 205 240 B1

Układ 10 zawiera reaktor 12 mieszczący stopioną kąpiel 14 zawierającą dolną warstwę 16 z metalicznego żelaza i górną warstwę 18 żużlu. Na jednym końcu reaktor 12 ma przelew 20, przez który produkt żelaza może być wyładowywany w sposób ciągły. W drugim końcu reaktor 12 ma przelew 22, przez który żużel może być wyładowywany w sposób ciągły. Z przelewu 22 żużel może być odprowadzany wzdłuż rynny 24 do układu obróbki żużlu (nie pokazany), takiego jak granulator.

Chociaż są pokazane przelewy 20,22 należy rozumieć, że można zastosować alternatywne formy urządzeń spustowych.

Chociaż możliwe są inne konstrukcje, układ 10 obejmuje wiele urządzeń 26 z lancami, które są oddalone w szeregu wzdłuż linii środkowej reaktora 12. Te urządzenia 26 wystają do dołu ze stropu 12a reaktora 12, i mogą być podnoszone i opuszczane niezależnie za pomocą mechanizmów podporowych (nie pokazane) usytuowanych powyżej reaktora 12. Urządzenia 26 są typu ujawnionego w mię dzynarodowym zgł oszeniu patentowym PCT/AU90/00466 (WO91/05214) i odpowiadającym patencie US 5251879. Tak więc, każde urządzenie 26 zawiera zanurzoną od góry lancę 28, za pomocą której prowadzi się wymagane operacje wytapiania, i rurową osłonę 30, przez którą lanca 28 przechodzi. Każda lanca 28 umożliwia wtrysk gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora (jak wyjaśniono powyższej) w warstwie żużlu wskutek zanurzenia dolnego wylotowego końca lancy i płomienia spalania na tym końcu w warstwie żużlu. Jednak każda osłona 30 jest krótsza niż lanca 28. Tak więc, przy lancach 28 obniżonych dla umożliwienia tego wtrysku przy zanurzeniu, dolny koniec każdej osłony 30 jest oddalony od warstwy żużlu. Dodatkowy gaz zawierający tlen może być dostarczany do reaktora 12 powyżej kąpieli 14, poprzez przepływ dodatkowego gazu do dołu przez kanał określony pomiędzy osłoną 30 i jej lancą 28, i na zewnątrz od dolnego końca tej osłony.

Układ 10 ponadto zwiera wiele portów załadowczych 32, z których każdy wyposażony jest w urzą dzenie regulują ce zał adunkiem 34. Jeden port 32 jest usytuowany pomiędzy koń cem reaktora 12, w którym znajduje się spust 20, i najbliższym spustowi 20 urządzeniem 26 z lancą. Dalsze odpowiednie porty 32 są usytuowane pomiędzy parą odpowiednich urządzeń 26 z lancami. Ostatni port 32 jest usytuowany pomiędzy drugim końcem reaktora 12, w którym znajduje się spust 22, i najbliższym spustowi 22 urządzeniem 26 z lancą.

Przy stosowaniu niniejszego wynalazku najpierw tworzy się przynajmniej warstwę żużlu 18. Żużel może być pozostawiony z poprzedniego cyklu procesu. Alternatywnie, warstwa żużlu 18 może być utworzona przez stopienie w reaktorze wsadu materiału wyjściowego zawierającego żelazo, zawierającego lub obejmującego tlen, i topników, korzystnie z granulowanym żużlem. W tym celu przynajmniej jedna z lanc 28 jest zapalana i płomień wytworzony przez spalanie paliwa jest stosowany do ogrzewania i stapiania wsadu.

Gdy utworzy się przynajmniej warstwę żużlu 18, może być realizowany wytop według wynalazku. W korzystnej realizacji sposobu, miał węglowy jako paliwo/reduktor, powietrze i tlen są wtryskiwane przez każdą lancę 28. Przy zapalonej każdej lancy, znajdującej się nadal w położeniu podniesionym, wykorzystuje się wtrysk od góry do wytworzenia turbulencji w żużlu, co powoduje, że żużel rozpryskuje się i tworzy się powłoka żużlowa na odsłoniętych częściach każdej lancy 28 i dolnym odcinku każdej osłony 30. Powłoka krzepnie dzięki płynowi chłodzącemu cyrkulującemu w każdym urządzeniu 26. Urządzenia 26 są następnie opuszczane w celu zanurzenia dolnego końca każdej lancy 28 i jego płomienia w żużlu, i następnie kontynuuje się wtrysk w żużlu. Pomimo zanurzenia każdego dolnego końca, krążące chłodziwo może utrzymywać ochronną powłokę żużlową.

Jednocześnie z wtryskiem w zanurzeniu od góry, materiał wyjściowy zawierający żelazo, dodatkowy reduktor i topniki są ładowane przez porty 32. Dodatkowym reduktorem korzystnie jest gruby węgiel. Także tlen jest wprowadzany do przestrzeni reaktora, powyżej warstwy żużlu, dla osiągnięcia wtórnego spalania gazów, które są wytwarzane podczas wytopu i wydobywają się z kąpieli 14.

Stosunek wtrysku gazu zawierającego tlen i paliwo/reduktor przez lance jest regulowany dla zapewnienia stopnia spalania paliwa/reduktora większego niż 60% wagowych. To jest zużywa się tlen w ilości ponad 60% wagowych paliwa/reduktora, jako składnika paliwa. Tak więc, chociaż obszar spalania wytworzony w żużlu przez każdą lancę ogólnie jest zmniejszony, z powodu pozostałych składników reduktora w paliwie/reduktorze jest on mniej zmniejszony niż w procesie wspomnianym powyżej według opisu AU-B-25725/92 (AU 656228). Jednak, może być utrzymane wystarczające zmniejszenie całkowite warunków przez składnik reduktora wtryśniętego paliwa/reduktora i dodatkowy reduktor obejmujący gruby węgiel.

Wytop odbywa się poprzez redukcje tlenku żelaza do żelaza w fazie żużlu wskutek redukcji węglem. Redukcja jest ułatwiona przez stosunek podstechiometryczny wtryśniętego tlenu do paliwa/redu8

PL 205 240 B1 ktora w obszarach spalania. Także turbulencja wytworzona przez wtrysk i unoszące się gazy wytwarza kaskadę kropli żużlu, jak zaznaczono jako 36. Unoszące się gazy obejmują CO i H2, jak również porywany pył zawierający węgiel. Można dodatkowo ułatwić redukcję poprzez spalanie wtórne wytwarzających się gazów i pyłu za pomocą tlenu wydobywającego się ponad warstwą żużlu przez osłonę 30 każdego urządzenia 26 z lancą. Spalanie wtórne wytwarza zasadniczo energię cieplną, której znaczna część jest przejmowana przez rozpryskujący się żużel.

Chociaż paliwem/reduktorem jest korzystnie miał węglowy, mogą być używane inne materiały takie, jak wymienione wcześniej. Chociaż dodatkowym reduktorem korzystnie jest gruby węgiel, także można stosować alternatywne reduktory. Odpowiednie topniki wymieniono wcześniej. Także wcześniej w niniejszym wymieniono zawartość tlenu w gazach zawierających tlen wtryskiwanych i do spalania wtórnego.

Niniejszy wynalazek nie wymaga użycia wstępnie zredukowanych materiałów czy to z niezależnego urządzenia, czy przy wykorzystaniu gazów wylotowych reaktora według niniejszego wynalazku. Taka wstępna redukcja ogranicza polepszenie efektywności kosztowej i wydajności procesu według niniejszego wynalazku. Lepiej jest więc maksymalizować wkład energii cieplnej do kąpieli ze spalania wtórnego poprzez prowadzenie spalania wtórnego do stopnia utlenienia około 0,95 do 1,0.

Jak wskazano wcześniej w niniejszym, zastosowanie stosunku wtrysku tlenu i paliwa/reduktora w celu zapewnienia stopnia spalania powyż ej 60% wagowych paliwa/reduktora zapewnia bardziej wydajne wytwarzanie żelaza pod względem zużycia energii na jednostkę produktu żelaza. Częściowo wynika to z wyższego poziomu wydajności paliwa wskutek spalania pod powierzchnią w żużlu, niż przez spalanie wtórne nad żużlem. Tak więc, zarówno wyższe temperatury wytopu jak i wyższe szybkości reakcji wytopu są możliwe do osiągnięcia dla danego poziomu paliwa i całkowitego zużycia reduktora, lub dany poziom produkcji żelaza jest możliwy do osiągnięcia przy mniejszym poziomie paliwa i całkowitego zużycia reduktora.

W reaktorze 12 możliwe jest ładowanie przez każdy port 32 i wtryskiwanie przez każdą lancę 28. Jednak stosunek materiału wyjściowego zawierającego żelazo do dodatkowego reduktora może zmniejszać się kolejno dla portów 32, w kierunku od jednego końca, na którym jest usytuowany spust 22 do końca ze spustem 20. Także, chociaż stosunek wtrysku tlenu do paliwa/reduktora w całości jest taki, że zapewnia spalanie paliwa/reduktora powyżej 60% wagowych, poziom spalania zmniejsza się kolejno dla lanc 28 w kierunku takim, że kolejne strefy spalania stają się progresywnie bardziej redukujące w kierunku spustu 20.

W końcu jest oczywiste, ż e wiele zmian, modyfikacji i/lub uzupełnień może być wprowadzonych do konstrukcji i układów części opisanych uprzednio bez odchodzenia od istoty lub zakresu wynalazku.

Claims (21)

1. Sposób wytwarzania metalicznego żelaza i żużlu poprzez wytop materiału wyjściowego zawierającego żelazo, w którym wytapia się żelazo z materiału wyjściowego zawierającego żelazo jako tlenek, częściowo w stanie metalicznym lub ich kombinacje, w reaktorze (12) zawierającym stopioną kąpiel (14) posiadającą fazę żużlu (18), przy czym wtryskuje się paliwo/reduktor i gaz zawierający tlen do żużlu (18) przez co najmniej jedną zanurzoną lancę (28) wytwarzając ciepło i warunki redukujące w co najmniej jednym obszarze redukcji w kąpieli (14), a materiał wyjś ciowy ł aduje się do reaktora (12) razem z dodatkowym reduktorem i z topnikiem, w tym co najmniej jednym obszarze redukującym lub w jego pobliż u, i poddaje się materiał wyjś ciowy redukcji z wytwarzaniem gazów spalania zawierają cych CO i H2, a jednocześnie reguluje się stosunek gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora, wtryskiwanych za pomocą tej co najmniej jednej lancy (28), doprowadzając do wymaganych, wystarczających warunków redukcji, zaś w reaktorze (12), powyżej kąpieli (14), poddaje się gazy spalinowe wytworzone w procesie wytapiania wtórnemu spalaniu, znamienny tym, że wtryskiwanie gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora reguluje się do osiągnięcia we wtryskiwanym gazie zawartości tlenu od 40% objętościowych do 100% objętościowych, i do osiągnięcia stopnia spalania paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę (28) przewyższającego 60% wagowych.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania przewyższającego 65% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę (28).

PL 205 240 B1

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania pomiędzy 65% wagowych i 90% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę (28).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania pomiędzy 65% wagowych i 85% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę (28).

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e jako paliwo/reduktor i dodatkowy reduktor zawierające węgiel stosuje się nisko jakościowe paliwo, a regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania pomiędzy 60% wagowych i 75% wagowych paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę (28).

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako paliwo/reduktor i dodatkowy reduktor zawierające węgiel stosuje się wysoko jakościowe paliwo, a regulację wtryskiwania gazu zawierającego tlen i paliwa/reduktora prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania co najmniej 70% paliwa/reduktora wtryskiwanego przez tę co najmniej jedną lancę (28).

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spalanie wtórne gazów spalinowych prowadzi się do osiągnięcia stopnia spalania przewyższającego 0,2, określonego przez stosunek (CO2+H2O) do (CO+H2+CO2+H2O) dla gazów wylotowych reaktora (12).

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stosunek utleniania reguluje się do 0,95 do 1,0.

9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że paliwo/reduktor zawiera co najmniej jeden materiał węglowy wybrany z węgla w postaci rozdrobnionej, oleju opałowego, gazu ziemnego, LPG.

10. Sposób według zastrz.1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że paliwo/reduktor zawiera węgiel w postaci rozdrobnionej, który wtryskuje się za pomocą gazu nośnego.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że jako gaz nośny stosuje się co najmniej częściowo tlen wymagany do spalania paliwa z paliwa/reduktora.

12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że gaz nośny jest wybrany z azotu, tlenu, powietrza lub powietrza wzbogaconego tlenem.

13. Sposób według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że jako dodatkowy reduktor stosuje się węgiel.

14. Sposób według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że jako dodatkowy reduktor wprowadza się węgiel w stosunku od 20% do 60% wagowych materiału wyjściowego.

15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako topnik stosuje się przynajmniej jeden materiał spośród wapnia, dolomitu, kalcynowanego wapnia, kalcynowanego dolomitu lub krzemionki.

16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytop prowadzi się w reaktorze (12) w temperaturze od 1350°C do 1500°C.

17. Sposób według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że spalanie wtórne prowadzi się przez wdmuchiwanie do przestrzeni reaktora, powyżej ciekłej kąpieli, gazu zawierającego tlen wybranego z powietrza i tlenu wzbogaconego

18. Sposób według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że spalanie wtórne prowadzi się w strefie spalania wtórnego w pobliżu powierzchni kąpieli (14), i wywołuje się rozpryskiwanie kropli żużlu (18) z kąpieli (14) poprzez wytworzenie turbulencji w ką pieli, przy czym energię cieplną w strefie spalania wtórnego przekazuje się kroplom żużlu przechodzącym z kąpieli (14) przez strefę spalania wtórnego.

19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że strefę spalania wtórnego wytwarza się w pobliż u co najmniej jednego obszaru redukcji.

20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wyjściowy zawierający żelazo obejmuje materiał w kawałkach lub aglomerowany.

21. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał wyjściowy zawierający żelazo jest co najmniej jednym z grubej rudy żelaza, rozdrobnionej rudy żelaza, pastylek, drobnych pastylek, piasku żelaza, residua żelaza, zgorzeliny, pyłu z kanałów dymowych stalowni, złomu żelaznego, materiału częściowo metalizowanego i wysoko żelazowego żużlu.