PL247682B1 - Urządzenie do termiczno-gazowej redukcji tlenków metali z użyciem wodoru jako gazu procesowego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do bezpośredniej redukcji tlenków metali, zwłaszcza tlenków żelaza (DRI), stanowiące zespół pieca kołpakowego w połączeniu z instalacją technologiczną, w której jako gazu procesowego używa się wodoru (H₂), przy czym instalację tę stanowi zestaw następujących bloków funkcjonalnych: chłodnica gazu procesowego, skraplacz pary wodnej, osuszacz gazu procesowego, zespół filtrów mechanicznych, dmuchawa procesowa, zespół pomp próżniowych, instalacja wyrzutu gazów po procesowych, stacja gazów technologicznych (H₂ i N₂), instalacja wody chłodzącej w obiegu zamkniętym, urządzenie załadowczo-rozładowcze oraz zbiornik kondensatu, z kolei usytuowany pionowo w dwu-częściowej rozłącznej obudowie piec kołpakowy zawiera w swej dolnej części (1b) nieruchomy trzon w izolacji termicznej (10), na którym sytuuje się załadowany wsadem kosz (3) z ażurowym dnem, z kolei pełniąca funkcję ruchomego kołpaka górna część pieca w obudowie (1a), jest wyposażona w umieszczoną wewnętrznie ceramiczną izolację termiczną (2) wraz z systemem kontroli temperatury procesowej, ponadto w obudowie są usytuowane: zestaw elektrycznych elementów grzejnych (4) dużej mocy oraz instalacja przepływu gazu procesowego (11, 12), przy czym obydwie części obudowy (1a) i (1b), wyposażone w kołnierze stykowe odpowiednio (5), są ze sobą szczelnie połączone, a ponadto pomiędzy trzonem (10), a koszem (3) jest usytuowany torusowy kolektor (7) gazu procesowego z obwodowo-zewnętrznymi dyszami wylotowymi (9), zintegrowany w funkcji z podporą kosza (3), przy czym kolektor (7) jest zasilany gazem procesowym za pośrednictwem kanału dolotowego (12), usytuowanego pozaosiowo w trzonie (10), natomiast w trzonie (10), poniżej kolektora (7), jest osiowo usytuowany kanał wypływowy (11) zużytego gazu procesowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do termiczno-gazowej redukcji tlenków metali, zwłaszcza tlenków żelaza [direct reduced iron (DRI)], z użyciem wodoru jako gazu procesowego.

Istnieje liczna grupa publikacji patentowych opisujących rozwiązania do gazowej redukcji tlenków metali, jak np. publikacje: amerykańskiej firmy ‘Midrex Technologies Inc.’ US 11,499,201 B2 oraz WO 2020/247328 A1, a także meksykańskiej firmy ‘HYL Technologies, S.A. de C.V.’ Analiza tych publikacji pozwala zauważyć pewną istotną cechę dotyczącą charakteru procesów technologicznych, realizowanych z użyciem zaproponowanych urządzeń i instalacji. Przeważająca większość publikacji dotyczy rozwiązań służących prowadzeniu procesów o charakterze ciągłym, a tylko nieliczne opierają się na pracy w trybie okresowym. W istocie, cecha ta związana jest z przepływem materiału obrabianego w toku realizowanych procesów technologicznych, który w przypadku tego pierwszego odbywa się w sposób ciągły, w odróżnieniu od drugiego, kiedy to określone porcje wsadu dostępne są w ściśle określonych oknach czasowych. Każdy z tych trybów pozwala właściwie dopasować dane rozwiązanie do indywidualnych warunków użytkowania, w tym takich jak rodzaj surowca, jego postać, dostępność, oczekiwana wydajność instalacji, ograniczenia infrastruktury, itd.

Niniejsze zgłoszenie prezentuje rozwiązania konstrukcyjne, których celem jest ulepszenie cech wyłącznie urządzeń do pracy okresowej (tzw. wsadowych).

Znane urządzenia wsadowe do DRI zostały między innymi przedstawione w szwedzkiej publikacji patentowej firmy Greeniron H2 AB nr SE 543 341 C2, w publikacjach zgłoszeń patentowych tej samej firmy Greeniron H2 AB w Europejskim Urzędzie Patentowym (EPO) nr: EP3947757, EP3947758, EP3947749, EP4034685, EP4172374 i WO2022191754.

Istnieje kilka problemów związanych ze stanem techniki, w tym z wydajnością w zakresie strat cieplnych, jak również zużycia gazowego wodoru. Istnieje również problem kontroli, ponieważ konieczne są pomiary po zakończeniu procesu. Byłoby zatem pożądane zaprojektowanie wydajnego termicznie i energetycznie urządzenia do bezpośredniej redukcji tlenków metali (peletu), które umożliwiłoby zwiększenie skali produkcji, łatwiejsze skalowanie, elastyczny i solidny sposób osiągnięcia bezpośredniej redukcji materiału metalowego, tak, aby przy niskich kosztach obsługiwać stale zmieniające się wymagania dotyczące wydajności i ochrony środowiska.

W przytoczonych powyżej patentach i zgłoszeniach patentowych firmy Greeniron H2 AB, skonfigurowane elementy grzejne zostały usytuowane w szczycie komory procesowej, a taka lokalizacja źródła ciepła procesowego może skutkować ograniczeniem wydajności pieca.

Zabudowanie systemu grzejnego wyłącznie pod powierzchnią stropu komory procesowej sprawi, że dla pewnych założeń co do czasu procesu, ilość wsadu będzie musiała być ograniczona, co w efekcie oznacza, że możliwości technologiczne urządzenia - dla danego gabarytu - nie będą mogły być optymalnie wykorzystane.

Istota urządzenia według wynalazku, które to urządzenie stanowi zespół pieca kołpakowego w połączeniu z instalacją technologiczną, polega na tym, że w usytuowanym pionowo, w dwuczęściowej rozłącznej obudowie, piecu kołpakowym pomiędzy trzonem a koszem jest usytuowany torusowy kolektor gazu procesowego z obwodowo-zewnętrznymi dyszami wylotowymi, zintegrowany w funkcji z podporą kosza, przy czym kolektor ten jest zasilany gazem procesowym, który stanowi wodór (EE), za pośrednictwem usytuowanego pozaosiowo w trzonie pieca kanału dolotowego, a przy tym w trzonie pieca, poniżej kolektora, jest osiowo usytuowany kanał wypływowy zużytego gazu procesowego.

Korzystnym jest gdy pomiędzy kolektorem a termiczną izolacją ceramiczną kołpaka, na wysokości dysz wylotowych, są usytuowane kierownice wymuszające ruch pionowy w górę gazu procesowego.

Korzystnym jest także gdy pomiędzy kołnierzami stykowymi obydwu części obudowy są współosiowo usytuowane dwie uszczelki, natomiast szczelność połączenia uzyskuje się za pośrednictwem wielosegmentowej klamry szybkozłącza próżniowo-ciśnieniowego.

Dalej korzystnym jest gdy izolację termiczną górnej części pieca w obudowie stanowi lekki materiał ogniotrwały oparty na włóknie ceramicznym, posiadający odpowiednią gęstość i zabudowany modułowo, przy czym materiał ten może zawierać spoiwo, podlegać formowaniu i/lub być instalowany w miejscu przeznaczenia z odpowiednim sprężem.

Również korzystnym jest gdy ceramiczną izolację termiczną górnej części pieca w obudowie stanowią strukturyzowane moduły z włókna ceramicznego osadzone na wewnętrznym zintegrowanym systemowo stelażu, który jest zabudowany w taki sposób, że wszystkie jego elementy znajdują się w jej wnętrzu, pozostając w ten sposób odseparowane od środowiska technologicznego.

Przy tym korzystnym jest gdy piec jest wyposażony w arbitralny system kontroli temperatury wewnętrznej izolacji termicznej.

Ponadto korzystnym jest gdy elementy grzejne stanowią wielkogabarytowe rezystory dużej mocy, które - dzięki systemowi podwieszenia - są pewnie i stabilnie zabudowane na ścianie pieca wykonanej z lekkiej izolacji termicznej.

Należy zauważyć, że wyposażenie wewnętrzne pieca kołpakowego, tj. izolacja termiczna oraz elementy grzejne posiadają właściwości umożliwiające poprawny przebieg - bezpośrednio w środowisku technologicznym - prowadzonych procesów, eliminując w ten sposób konieczność użycia elementów rozdzielających typu retorta czy mufla.

Ponadto, geometria zastosowanego w piecu kołpakowym torusowego kolektora umożliwia uzyskanie równomiernego rozdziału strugi gazu procesowego na wszystkie rozmieszczone na jego obwodzie dysze przy doprowadzeniu do niego gazu technologicznego jednym wlotem.

Wynalazek zostanie przybliżony na podstawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1 - piec kołpakowy w przekroju pionowym;

Fig. 2 - złącze próżniowo-ciśnieniowe pieca kołpakowego w przekroju pionowym; oraz

Fig. 3 - schemat blokowy instalacji technologicznej pieca kołpakowego.

W przedstawionej na Fig. 3 instalacji technologicznej, wyjście i wejście współpracującego z urządzeniem załadowczo-rozładowczym 28 pieca kołpakowego 18 są ze sobą połączone za pośrednictwem pętli technologicznej w skład której wchodzą: chłodnice gazu procesowego 19, skraplacz pary wodnej 20, osuszacz gazu procesowego 21, zespół filtrów mechanicznych 22, dmuchawa procesowa 23 oraz chłodnica gazu procesowego 19, są ze sobą połączone, przy czym wyjście dmuchawy procesowej 23 jest także połączone, z wejściem stacji gazów technologicznych (H2 i N2) 26 oraz - za pośrednictwem zespołu pomp próżniowych 24 - z instalacją wyrzutu gazów poprocesowych 25, natomiast drugie wyjście skraplacza pary wodnej 20, który współpracuje z instalacją wody chłodzącej w obiegu zamkniętym 27, jest przyłączone do zbiornika kondensatu 29.

W przykładowym wykonaniu, proces redukcji tlenków żelaza przeprowadzono przy utrzymaniu następujących parametrów:

Masa ładunku (Fe2Os): 5 ton

Wysokość złoża materiału: ok. 0,7 m

Temperatura redukcji: ok. 600°C

Wodór gazowy: 75% vol.

Para wodna: 25% vol.

Dedykowane urządzenie załadowczo-rozładowcze 28 dostarcza stalowy kosz 3 z zasypanym doń wsadem w formie granulatu i ustawia na trzonie 10 pieca 18. Aby umożliwić tę czynność przygotowuje się do tego odpowiednio piec 18 poprzez uniesienie kołpaka 1a. Po wycofaniu urządzenia załadowczego kołpak la pieca 18 zostaje szczelnie zamknięty i rozpoczyna się proces obróbki.

Po wykonaniu wszystkich faz pomocniczych tj. m.in. ewakuacji przez zespół pomp próżniowych 24, inertyzacji z wykorzystaniem azotu ze stacji gazów technologicznych 26 i wstępnego podgrzewu za pomocą zabudowanych w piecu 18 elementów grzejnych 4, następuje faza redukcji wodorem. Podany do pieca 18 pod wysokim ciśnieniem wodór zaczyna cyrkulować, a przepływając przez objętość wsadu, usytuowanego w koszu 3 z ażurowym dnem, wchodzi z nim w reakcję. W wyniku tej reakcji następuje stopniowe redukowanie tlenków metali do postaci metalicznej. Produktem tego zabiegu jest mieszanina wodoru, który nie brał udziału w reakcji oraz pary wodnej. Gaz ten wypływa z pieca 18 i kierowany jest do chłodnicy gazu procesowego 19. W chłodnicy tej następuje schłodzenie mieszaniny do temperatury bliskiej temperaturze niezbędnej do wykroplenia pary wodnej. Czynnikiem chłodzącym jest zawracany do procesu ów nieprzereagowany wodór, który w ten sposób ogrzewa się wstępnie, co pozwala odzyskać część krążącego ciepła. Schłodzony gaz procesowy trafia do skraplacza 20, gdzie następuje usunięcie większej ilości pary wodnej. W tym przypadku czynnikiem chłodzącym jest woda obiegowa zabezpieczana przez zamknięty układ 27. Wykroplona woda w formie kondensatu usuwana jest z układu i gromadzi się w dedykowanym zbiorniku kondensatu 29. W taki sposób mieszanina zwiększyła istotnie udział wodoru, ale celem ostatecznego ustalenia składu gazu procesowego przepuszcza się ją przez urządzenie osuszające 21. Po wyjściu z osuszacza 21 jest gaz kierowany do zespołu filtrów 22, po czym dostaje się do kolektora ssącego dmuchawy procesowej 23, której rolą jest zapewnienie wymaganego przepływu masowego wodoru w trakcie procesu redukcji, w warunkach podwyższonego ciśnienia. Dmu chawa 23 tłoczy wodór pod odpowiednim ciśnieniem przez wtórny obwód chłodnicy 19 gazu procesowego, skąd - po skompensowaniu przez stację 26 wykorzystanej masy wodoru - gaz dostaje się na króciec wlotowy pieca do redukcji 18. Zgodnie z opisanym wyżej schematem proces redukcji prowadzi się w temperaturze i pod odpowiednim ciśnieniem do momentu uzyskania wymaganego stopnia metalizacji (redukcji). Stan ten określany jest za pomocą aparatury kontrolno-pomiarowej zainstalowanej na piecu 18. W momencie uzyskania informacji o zakończeniu redukcji wsad podlega schłodzeniu to temperatury rozładunku, a pozostały w instalacji wodór wypłukuje się za pomocą azotu ze stacji 26, wyprowadzając powstałą w ten sposób mieszaninę - poprzez instalację wyrzutu gazów poprocesowych 25 do otoczenia.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do bezpośredniej redukcji tlenków metali, zwłaszcza tlenków żelaza (DRI), stanowiące zespół pieca kołpakowego 18 w połączeniu z instalacją technologiczną, w której jako gazu procesowego używa się wodoru (H2), przy czym instalację tę stanowi zestaw następujących bloków funkcjonalnych: chłodnica gazu procesowego 19, skraplacz pary wodnej 20, osuszacz gazu procesowego 21, zespół filtrów mechanicznych 22, dmuchawa procesowa 23, zespół pomp próżniowych 24, instalacja wyrzutu gazów po procesowych 25, stacja gazów technologicznych (H2 i N2) 26, instalacja wody chłodzącej w obiegu zamkniętym 27, urządzenie załadowczo-rozładowcze 28 oraz zbiornik kondensatu 29, z kolei usytuowany pionowo, w dwuczęściowej rozłącznej obudowie 1, piec kołpakowy 18 zawiera w swej dolnej części 1b nieruchomy trzon w izolacji termicznej 10, na którym sytuuje się załadowany wsadem kosz 3 z ażurowym dnem, z kolei pełniąca funkcję ruchomego kołpaka górna część pieca w obudowie 1a, jest wyposażona w umieszczoną wewnętrznie ceramiczną izolację termiczną 2 wraz z systemem kontroli temperatury procesowej, ponadto w obudowie 1 są usytuowane: zestaw elektrycznych elementów grzejnych 4 dużej mocy oraz instalacja przepływu gazu procesowego 11, 12, przy czym obydwie części obudowy 1a i 1b, wyposażone w kołnierze stykowe odpowiednio 5 i 16, są ze sobą szczelnie połączone, znamienne tym, że pomiędzy trzonem 10 a koszem 3 jest usytuowany torusowy kolektor 7 gazu procesowego z obwodowo-zewnętrznymi dyszami wylotowymi 9, zintegrowany w funkcji z podporą kosza 3, przy czym kolektor 7 jest zasilany gazem procesowym za pośrednictwem kanału dolotowego 12, usytuowanego pozaosiowo w trzonie 10, natomiast w trzonie 10, poniżej kolektora 7, jest osiowo usytuowany kanał wypływowy 11 zużytego gazu procesowego.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy kolektorem 7 a termiczną izolacją ceramiczną 2 kołpaka, na wysokości dysz wylotowych 9, są usytuowane kierownice 8 wymuszające ruch pionowy w górę gazu procesowego.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że pomiędzy kołnierzami stykowymi 5 i 16 obydwu części obudowy 1a i 1b są współosiowo usytuowane dwie uszczelki 14 i 15, natomiast szczelność połączenia uzyskuje się za pośrednictwem wielosegmentowej klamry 6 szybkozłącza próżniowo-ciśnieniowego.
4. 4. Urządzenie według jednego z zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienne tym, że izolację termiczną 2 górnej części pieca w obudowie 1a stanowi lekki materiał ogniotrwały oparty na włóknie ceramicznym, posiadający odpowiednią gęstość i zabudowany modułowo, przy czym materiał ten może zawierać spoiwo, podlegać formowaniu i/lub być instalowany w miejscu przeznaczenia z odpowiednim sprężem.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że ceramiczną izolację termiczną 2 górnej części pieca w obudowie la stanowią strukturyzowane moduły z włókna ceramicznego osadzone na wewnętrznym zintegrowanym systemowo stelażu, który jest zabudowany w taki sposób, że wszystkie jego elementy znajdują się w jej wnętrzu, pozostając w ten sposób odseparowane od środowiska technologicznego.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 4 albo 5, znamienne tym, że piec kołpakowy 18 jest wyposażony w arbitralny system kontroli temperatury wewnętrznej izolacji termicznej 2.
7. 7. Urządzenie według jednego z zastrz. 1 do 6, znamienne tym, że elementy grzejne 4 stanowią wielkogabarytowe rezystory dużej mocy, które dzięki systemowi podwieszenia są pewnie i stabilnie zabudowane na ścianie pieca wykonanej z lekkiej izolacji termicznej 2.