RU2190022C2

RU2190022C2 - Method and device for production of iron by direct reduction

Info

Publication number: RU2190022C2
Application number: RU2000111525/02A
Authority: RU
Inventors: ГОНСАЛЕС Хуан СЕЛАДА III; ФЛОРЕС Рауль Херардо КИНТЕРО; БРАУН Рикардо ВИРАМОНТЕС; СЕРРАНО Октавиано Роберто ФЛОРЕС
Original assignee: Ильса, С.А. Де К.В.
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 2002-09-27

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: proposed method consists in production of ore of preliminary reduction and iron of direct reduction. Method includes forming reducing gas used in chemical reduction of ferric oxides from natural gas through decomposition of hydrocarbons by such oxidants as water and oxygen inside reduction reaction which contains iron refined from admixtures and used as conversion catalyst. Content of carbon in direct-reduction iron may be reliability controlled through change of relative amount of water, carbon dioxide and oxygen in reducing gas fed to reduction reactor. Content of carbon in direct-reduction iron is regulated through control of amount of water in reducing gas fed to reduction reactor; addition of oxygen ensures energy required for carburization of directreduction iron. EFFECT: possibility of obtaining reduced iron at preset accurately controlled content of carbon without natural gas reforming reactor. 23 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения предварительно восстановленной железной руды, железа прямого восстановления (DRI - direct reduced iron) или т.п. в установке для производства чугуна, в которой восстановительный газ, используемый при химическом восстановлении оксидов железа, образуется из природного газа в системе с реактором для восстановления путем реакции углеводородов с такими окислителями, как вода, диоксид углерода и кислород, внутри реактора для восстановления, который при устойчивом режиме работы содержит железо, рафинированное от примесей, служащее в качестве катализатора превращений. Содержание углерода в железе, полученном прямым восстановлением, можно регулировать путем изменения соотношения содержания воды, диоксида углерода (двуокиси углерода) и кислорода в составе восстановительного газа, подаваемого в реактор для восстановления. В соответствии с изобретением разработан способ, который позволяет получать железо прямого восстановления без использования применяемой в настоящее время установки для реформинга природного газа, внешней по отношению к системе с реактором для восстановления, с высокой эффективностью и надежностью, в результате чего уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с установками для прямого восстановления. The present invention relates to a method and apparatus for producing pre-reduced iron ore, direct reduced iron (DRI) or the like. in a cast iron production plant in which the reducing gas used in the chemical reduction of iron oxides is produced from natural gas in a system with a reduction reactor by reacting hydrocarbons with oxidizing agents such as water, carbon dioxide and oxygen, inside the reduction reactor, which stable operation contains iron, refined from impurities, serving as a catalyst for transformations. The carbon content in the iron obtained by direct reduction can be controlled by changing the ratio of the content of water, carbon dioxide (carbon dioxide) and oxygen in the composition of the reducing gas supplied to the reactor for reduction. In accordance with the invention, a method has been developed which makes it possible to obtain direct reduction iron without using the currently used installation for reforming natural gas external to the system with a reduction reactor, with high efficiency and reliability, thereby reducing capital and operating costs, associated with direct recovery installations.

Предпосылки изобретения
В настоящее время на установках для прямого восстановления, предназначенных для получения железа прямым восстановлением, известного как крица или губчатое железо, железо, полученное путем горячего брикетирования, или т.п. (вообще для получения предварительно восстановленных материалов, служащих сырьем для производства чугуна и стали), железо получается прямым восстановлением за счет того, что восстановительный газ, находящийся при температурах в диапазоне от 750 до 1050^o и состоящий главным образом из водорода и монооксида углерода (окиси углерода), вступает в реакцию со слоем зернистого железосодержащего материала в виде комков или окатышей. В настоящее время в большинстве работающих установок для прямого восстановления используется реактор с движущимся слоем, в котором газы проходят в противотоке с опускающимся под действием силы тяжести слоем частиц железной руды, проходящих вниз через реактор. Примеры таких способов описаны в патентах США No.No3749386; 3764123; 3186101; 4002422; 4046557; 4336063; 4375983; 4428072; 4556417 и 5078787.BACKGROUND OF THE INVENTION
Currently, in direct reduction plants designed to produce iron by direct reduction, known as krita or sponge iron, iron obtained by hot briquetting, or the like. (in general to obtain pre-reduced materials that serve as raw materials for the production of iron and steel), iron is obtained by direct reduction due to the fact that the reducing gas, located at temperatures in the range from 750 to 1050 ^o and consisting mainly of hydrogen and carbon monoxide (oxide carbon), reacts with a layer of granular iron-containing material in the form of lumps or pellets. Currently, most operating plants for direct reduction use a moving bed reactor in which gases pass in countercurrent flow with a layer of iron ore particles falling down through the reactor by gravity. Examples of such methods are described in US patent No. 373738386; 3,764,123; 3,186,101; 4002422; 4,046,557; 4,336,063; 4,375,983; 4,428,072; 4556417 and 5078787.

Известно, что железо прямого восстановления, используемое в качестве шихты или части шихты для сталеплавильной дуговой электропечи (EAF - electric arc furnace), должно в желательном варианте содержать определенные количества углерода, химически соединенного с железом в материале, представляющем собой железо прямого восстановления. Связанный углерод, в отличие от свободного углерода, который может быть добавлен в ванну расплавленного металла в дуговой электропечи в виде сажи в железе прямого восстановления или в виде графита, обеспечивает ряд преимуществ для сталеплавильного процесса, например, большая часть указанного углерода (примерно 70-85%) остается в ванне расплавленного металла и способствует дополнительному восстановлению оксидов железа, содержащихся в подаваемом в качестве сырья железе прямого восстановления, с образованием монооксида углерода; при реакциях восстановления этого монооксида углерода происходит образование пузырьков газа, которые образуют слой "вспененного" шлака над ванной расплавленного металла, при этом указанный слой чрезвычайно ценен с точки зрения обеспечения защиты стенок дуговой электропечи от излучения со стороны электрической дуги; при дополнительном окислении монооксида углерода до диоксида углерода выделяется энергия в дуговой электропечи, тем самым обеспечивается экономия при потреблении электроэнергии. It is known that direct reduction iron, used as a charge or part of a charge for an electric arc furnace (EAF), should desirably contain certain amounts of carbon chemically bonded to iron in a material that is direct reduction iron. Bound carbon, in contrast to free carbon, which can be added to the molten metal bath in an electric arc furnace in the form of soot in direct reduction iron or in the form of graphite, provides several advantages for the steelmaking process, for example, most of this carbon (about 70-85 %) remains in the molten metal bath and contributes to the additional reduction of the iron oxides contained in the feed of direct reduction iron, with the formation of carbon monoxide; during the reduction reactions of this carbon monoxide, gas bubbles are formed that form a layer of “foamed” slag over the molten metal bath, and this layer is extremely valuable from the point of view of protecting the walls of the electric arc furnace from radiation from the side of the electric arc; with additional oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide, energy is generated in an electric arc furnace, thereby saving on energy consumption.

В течение длительного времени существовало стремление разработать способ прямого восстановления, в котором получающееся железо прямого восстановления содержит надлежащее количество химически связанного углерода, наилучшим образом соответствующее определенным параметрам процесса производства стали. For a long time, there was a desire to develop a direct reduction method in which the resulting direct reduction iron contains an appropriate amount of chemically bound carbon that best suits certain parameters of the steel production process.

При применяемых в настоящее время процессах восстановления получают железо прямого восстановления с содержанием углерода, находящимся в определенных узких пределах, от 0,8% до 1,8%, в зависимости от среднего состава восстановительного газа, поскольку науглероживание главным образом определяется реакцией Boudouard: 2CO-->С+СО₂. Эта реакция является экзотермической и ускоряется при сравнительно низких температурах, а именно в диапазоне от 500^oС до 700^oС; следовательно, традиционно эту реакцию науглероживания ускоряли в тех процессах, при которых получаемое железо прямого восстановления охлаждали до температур окружающей среды перед выгрузкой его из реактора для восстановления за счет обеспечения циркуляции СО-содержащего газа через часть указанного реактора, предназначенную для охлаждения и выгрузки продукта.With the currently used reduction processes, direct reduction iron is obtained with a carbon content within certain narrow limits from 0.8% to 1.8%, depending on the average composition of the reducing gas, since carburization is mainly determined by the Boudouard reaction: 2CO- -> C + CO ₂ . This reaction is exothermic and accelerates at relatively low temperatures, namely in the range from 500 ^o C to 700 ^o C; consequently, traditionally, this carburization reaction was accelerated in those processes in which the obtained direct reduction iron was cooled to ambient temperatures before it was unloaded from the reduction reactor due to the circulation of CO-containing gas through a part of the specified reactor intended for cooling and unloading the product.

Другим способом получения железа прямого восстановления с желательным содержанием углерода является введение горячего получаемого железа прямого восстановления в контакт с природным газом в зоне охлаждения реактора. Углеводороды в природном газе, примером которых является метан, разлагаются на элементарный углерод, который соединяется с железом, рафинированным от примесей, и водород плюс монооксид углерода, используемый в зоне восстановления. Этот способ широко известен и реализуется на практике, как показано, например, в патенте США 4046557 и 4054444, причем в последнем патенте также предлагается подавать науглероживающий природный газ в промежуточную зону между зоной восстановления и зоной вторичного охлаждения реактора для восстановления, чтобы использовать тепло железа прямого восстановления для разложения углеводородов. Another method for producing direct reduced iron with a desired carbon content is to introduce the hot resulting direct reduced iron into contact with natural gas in the cooling zone of the reactor. Hydrocarbons in natural gas, such as methane, decompose into elemental carbon, which combines with refined iron and hydrogen plus carbon monoxide used in the reduction zone. This method is widely known and practiced, as shown, for example, in US Pat. Nos. 4,046,557 and 4,054,444, and the latter patent also proposes to supply carburizing natural gas to the intermediate zone between the reduction zone and the secondary cooling zone of the reduction reactor in order to use direct heat of iron recovery for the decomposition of hydrocarbons.

Обычная реакция разложения - это реакция СН₄-->С+2Н₂. Поскольку реакция разложения углеводородов является явно эндотермической, эта реакция в большинстве случаев используется в тех процессах, при которых происходит получение "холодного" железа прямого восстановления. Благодаря вышеуказанной реакции природный газ использовался в качестве хладагента в некоторых процессах, например, в патентах США No. No 3765872 и 5437708. В последнем из указанных патентов раскрывается способ, при котором содержание углерода в железе прямого восстановления повышено за счет увеличения времени пребывания полученного железа прямого восстановления в зоне реакции. Однако этот способ не целесообразен для реализации на практике, поскольку время пребывания увеличивается от 5-6 часов до 9-15 часов. Это требует реактора большего размера для обеспечения той же производительности.The usual decomposition reaction is the reaction of CH ₄ -> C + 2H ₂ . Since the decomposition of hydrocarbons is clearly endothermic, this reaction is in most cases used in those processes in which the production of “cold” direct reduced iron occurs. Due to the above reaction, natural gas has been used as a refrigerant in some processes, for example, in US Pat. No. 3765872 and 5437708. In the last of these patents, a method is disclosed in which the carbon content of direct reduction iron is increased by increasing the residence time of the obtained direct reduction iron in the reaction zone. However, this method is not advisable for implementation in practice, since the residence time increases from 5-6 hours to 9-15 hours. This requires a larger reactor to provide the same performance.

Точное и надежное регулирование науглероживания железа прямого восстановления становится несколько более затруднительным в тех случаях, когда получаемое железо прямого восстановления рациональным образом выгружают из реактора для восстановления при высоких температурах (то есть при температурах свыше 550^oС) для немедленного использования в дуговой электропечи с обеспечением больших преимуществ с точки зрения экономии энергии и производительности процесса производства стали, или для производства железа, полученного путем горячего брикетирования и имеющего свои преимущества, его транспортировки сушей или морем и его использования в сталеплавильных печах. Был сделан ряд предложений для достижения желательного содержания соединений углерода в процессе, при котором получают горячее железо прямого восстановления. Один такой способ описан в патентах США No. No 4834792 и 4734128. В этих патентах описаны процессы, при которых восстановительный газ с заданной восстановительной способностью получают в отдельной печи реформинга, при которых углеводороды в природном газе преобразуются в Н₂ и СО в печи реформинга, и науглероживающие углеводороды добавляются к восстановительному газу, подаваемому в реактор.Accurate and reliable control of carburization of direct reduction iron becomes somewhat more difficult in cases where the obtained direct reduction iron is rationally discharged from the reactor for recovery at high temperatures (i.e., at temperatures above 550 ^° C) for immediate use in an electric arc furnace with large advantages in terms of energy saving and productivity of the steelmaking process, or for the production of hot iron briquetting and having its advantages, its transportation by land or sea and its use in steel furnaces. A number of proposals have been made to achieve the desired carbon content in a process in which hot direct reduced iron is produced. One such method is described in US Pat. No. 4,834,792 and 4,734,128. These patents describe processes in which a reducing gas with a given reducing ability is obtained in a separate reforming furnace, in which hydrocarbons in natural gas are converted to H ₂ and CO in a reforming furnace, and carbonized hydrocarbons are added to the reducing gas supplied into the reactor.

Другое предложение для получения "горячего" железа прямого восстановления с высоким содержанием углерода раскрыто в документе Германии OS 4437679 A1, в котором описывается способ, при котором природный газ подают в часть реактора для восстановления, предназначенную для выгрузки, чтобы разложить углеводороды, используя тепло от железа прямого восстановления, проходящего вниз из зоны восстановления. Этот способ науглероживания такой же, как описанный выше, при этом единственным отличием его является то, что восстановительный газ образуется внутри реактора. Однако способ по данному патенту обладает недостатком, заключающимся в том, что и в данном случае количество энергии, доступное для выполнения эндотермических реакций науглероживания, определяется теплом железа прямого восстановления; и в том случае, когда железо прямого восстановления должно быть выгружено при высокой температуре, степень науглероживания будет очень ограниченной. Another proposal for producing hot carbon direct reduced iron with a high carbon content is disclosed in German document OS 4437679 A1, which describes a method in which natural gas is fed to a portion of a reduction reactor to be discharged to decompose hydrocarbons using heat from iron direct recovery going down from the recovery zone. This carburization method is the same as described above, with the only difference being that reducing gas is formed inside the reactor. However, the method according to this patent has the disadvantage that in this case, the amount of energy available for performing endothermic carburization reactions is determined by the heat of direct reduced iron; and in the case where direct reduction iron must be unloaded at high temperature, the degree of carburization will be very limited.

Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование по отношению к способам по предшествующему техническому уровню и, в частности, представляет собой усовершенствование по отношению к патенту США No. 5110350. В этом патенте описан процесс прямого восстановления без специальной установки для реформинга природного газа, при котором восстановительные газы образуют путем реакции превращения природного газа с водой, добавляемой к восстановительному газу перед нагревом потока восстановительного газа, путем насыщения его горячей водой, забираемой от охладителя отходящих газов. Смесь насыщенного водой природного газа и рециркулирующего газа нагревают в подогревателе газа и подают в реактор для восстановления, в котором проходят все реакции - реакции превращения, реакции восстановления и реакции науглероживания. Однако в способе по данному патенту не используется кислород для частичного сжигания восстановительного газа перед подачей этого газа в реактор для восстановления, чтобы получить энергию, необходимую для науглероживания железа прямого восстановления до желательного заданного уровня. The present invention is an improvement with respect to the methods of the prior art and, in particular, is an improvement with respect to US Pat. 5110350. This patent describes a direct reduction process without a special installation for reforming natural gas, in which reducing gases are formed by the reaction of converting natural gas with water added to the reducing gas before heating the reducing gas stream, by saturating it with hot water taken from the off-gas cooler gases. The mixture of water saturated with natural gas and recycle gas is heated in a gas preheater and fed to a reduction reactor in which all reactions — conversion reactions, reduction reactions, and carburization reactions — take place. However, the method of this patent does not use oxygen to partially burn the reducing gas prior to supplying this gas to the reduction reactor in order to obtain the energy necessary for carburizing the direct reduced iron to a desired predetermined level.

К другим патентам, которые представляют собой патенты по предшествующему техническому уровню, относится патент США No. 3375099, в котором раскрывается способ восстановления оксидов железа, при котором природный газ или метан частично сжигается в присутствии кислорода в камере сгорания для получения водорода и монооксида углерода известным образом. Только незначительная часть регенерированного газа может быть возвращена в реактор путем рециркуляции, поскольку температура газа, поступающего в реактор, чрезмерно падает, так как не предусмотрено никакого нагревателя газа для рециркулирующего потока. Следовательно, потребление исходного природного газа является большим, и вследствие данного ограничения неизбежны потери ценного восстановительного газа. Потребление кислорода также является значительным, поскольку все тепло, необходимое для повышения температуры восстановительного газа до уровня, обеспечивающего восстановление, должно быть получено за счет частичного окисления природного газа кислородом при сжигании. Other patents that are patents of the prior art include U.S. Pat. 3375099, which discloses a method for reducing iron oxides, in which natural gas or methane is partially burned in the presence of oxygen in a combustion chamber to produce hydrogen and carbon monoxide in a known manner. Only a small fraction of the recovered gas can be returned to the reactor by recirculation, since the temperature of the gas entering the reactor drops excessively, since no gas heater is provided for the recycle stream. Consequently, the consumption of the source natural gas is large, and due to this limitation, the loss of valuable reducing gas is inevitable. Oxygen consumption is also significant, since all the heat needed to raise the temperature of the reducing gas to a level that ensures recovery must be obtained by partially oxidizing the natural gas with oxygen during combustion.

В патенте США No. 5064467 раскрывается способ прямого восстановления, аналогичный способу по выложенной заявке Германии 4437679, при котором восстановительные газы получают путем частичного сжигания смеси рециркулирующего газа и природного газа в присутствии воздуха или воздуха и кислорода, в результате чего углеводороды природного газа подвергаются реакции превращения внутри реактора для восстановления, как известно в данной области. Однако в данном способе не используется преимущество, заключающееся в высоком уровне влажности, для реакции природного газа, а указанный способ базируется на применении диоксида углерода и кислорода. Поскольку в данном способе не предусмотрено устройство для удаления CO₂, предназначенное для регенерирования рециркулирующего газа, количество газа, извлекаемого из этой системы, составляет порядка 30% газа, выходящего из реактора.U.S. Pat. 5064467 discloses a direct reduction method similar to that of German Patent Application Laid-Open No. 4437679, in which reducing gases are obtained by partially burning a mixture of recycle gas and natural gas in the presence of air or air and oxygen, whereby natural gas hydrocarbons undergo a conversion reaction inside the reduction reactor, as is known in the art. However, this method does not use the advantage of a high level of humidity for the reaction of natural gas, and this method is based on the use of carbon dioxide and oxygen. Since this method does not provide a device for removing CO ₂ designed to regenerate recycle gas, the amount of gas recovered from this system is about 30% of the gas leaving the reactor.

В патенте США No. 4528030 раскрывается способ восстановления без специальной установки для реформинга, при котором происходит реакция природного газа с паром в качестве главного окислителя внутри реактора для восстановления. Однако в соответствии с данным патентом не предусмотрено добавление кислорода для повышения температуры восстановительного газа, поступающего в реактор, и для получения энергии, необходимой для науглероживания железа прямого восстановления, и для обеспечения гибкости регулирования содержания углерода, как в настоящем изобретении. U.S. Pat. 4528030 discloses a reduction method without a special reforming unit, in which the natural gas reacts with steam as the main oxidizing agent inside the reduction reactor. However, in accordance with this patent, no oxygen is added to increase the temperature of the reducing gas entering the reactor, and to obtain the energy necessary for carburizing direct reduced iron, and to provide the flexibility of controlling the carbon content, as in the present invention.

Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка способа и устройства для производства железа прямого восстановления с заданным содержанием углерода путем регулирования добавления воды и кислорода, которые смешиваются с восстановительным газом, поступающим в реактор для восстановления.SUMMARY OF THE INVENTION
The aim of the present invention is to develop a method and device for the production of direct reduction iron with a given carbon content by controlling the addition of water and oxygen, which are mixed with the reducing gas entering the reduction reactor.

Другой целью изобретения является разработка способа и устройства для восстановления оксидов железа с высокой степенью эффективности в системе с реактором для восстановления без применения используемой в настоящее время установки для реформинга природного газа. Another objective of the invention is the development of a method and apparatus for the reduction of iron oxides with a high degree of efficiency in a system with a reactor for recovery without the use of the currently used natural gas reforming apparatus.

Другие цели и преимущества изобретения являются очевидными для специалистов в данной области или будут упомянуты в данном описании изобретения и показаны на чертеже. Other objectives and advantages of the invention are apparent to those skilled in the art or will be mentioned in this description of the invention and shown in the drawing.

В соответствии с настоящим изобретением его цели достигаются за счет разработки следующих способа и устройства:
Способ получения железа прямого восстановления с регулируемым содержанием углерода в системе для восстановления, не содержащей установки для реформинга природного газа, при котором восстановительный газ образуется путем превращения углеводородов в восстановительном газе с водой и кислородом внутри системы для восстановления, причем способ реализуется в реакторе для восстановления с движущимся слоем, имеющем зону восстановления, в которой зернистые материалы, содержащие оксиды железа, по меньшей мере, частично химически восстанавливаются до железа, рафинированного от примесей, с помощью находящегося при высокой температуре восстановительного газа, содержащего водород и монооксид углерода в качестве восстановителей, причем способ содержит следующие операции: введение зернистого материала, содержащего оксиды железа, в верхнюю часть зоны восстановления реактора; подачу в зону восстановления первого потока восстановительного газа при температуре в интервале от приблизительно 900^oС до приблизительно 1150^oС и пропускание горячего восстановительного газа вверх через зону восстановления для того, чтобы, по меньшей мере, частично восстановить оксиды железа, находящиеся в ней, до железа, рафинированного от примесей, науглероживание железа, рафинированного от примесей, углеродом из восстановительных газов, подаваемых в реактор, в результате чего получают железо прямого восстановления, имеющее химически связанный углерод в регулируемом и заданном количестве; отвод из зоны восстановления второго потока отработавшего восстановительного газа, находящегося при температуре в интервале от приблизительно 250^oС до приблизительно 450^oС; пропускание второго потока через теплообменник, в котором происходит рекуперация тепла из второго потока; охлаждение второго потока в устройстве для охлаждения и очистки газов путем непосредственного контакта потока газа с водой в жидком состоянии с целью обезвоживания и очистки второго потока; удаление диоксида углерода из части второго потока, что приводит к образованию третьего потока, содержащего не более чем приблизительно 10% диоксида углерода; смешивание третьего потока с природным газом для образования четвертого потока восстановительного газа; увеличение содержания воды в четвертом потоке путем введения газа в контакт с горячей водой, вытекающей из устройства для охлаждения и очистки газа; регулирование содержания воды в четвертом потоке до значения в интервале от приблизительно 5% до приблизительно 12%; нагрев четвертого потока до температуры, находящейся в интервале от приблизительно 850^oС до приблизительно 1000^oС; смешивание горячего четвертого потока с кислородсодержащим газом для повышения температуры четвертого потока до значений, находящихся в интервале от приблизительно 950^oС до приблизительно 1150^oС с целью образования первого потока; и выгрузку железа прямого восстановления с отрегулированным и заданным соединением углерода из реактора.In accordance with the present invention, its objectives are achieved by developing the following method and device:
A method for producing direct reduced iron with a controlled carbon content in a reduction system that does not contain a natural gas reforming unit, wherein the reducing gas is formed by converting hydrocarbons in the reducing gas with water and oxygen inside the reduction system, the method being implemented in a reduction reactor with a moving layer having a reduction zone in which granular materials containing iron oxides are at least partially chemically reduced they are refined to iron, which is refined from impurities, using a reducing gas at high temperature containing hydrogen and carbon monoxide as reducing agents, the method comprising the following operations: introducing granular material containing iron oxides into the upper part of the reactor reduction zone; feeding into the reduction zone a first stream of reducing gas at a temperature in the range of from about 900 ^{° C.} to about 1150 ^{° C.} and passing the hot reducing gas upward through the reduction zone in order to at least partially reduce the iron oxides contained therein to iron refined from impurities, carbonization of iron refined from impurities with carbon from the reducing gases supplied to the reactor, resulting in the production of direct reduced iron having chemical and bound carbon in an adjustable and predetermined amount; the removal from the recovery zone of the second stream of exhaust reducing gas, which is at a temperature in the range from about 250 ^o C to about 450 ^o C; passing the second stream through a heat exchanger in which heat recovery from the second stream takes place; cooling the second stream in a device for cooling and purifying gases by directly contacting the gas stream with water in a liquid state for the purpose of dehydration and purification of the second stream; removing carbon dioxide from part of the second stream, which leads to the formation of a third stream containing not more than about 10% carbon dioxide; mixing the third stream with natural gas to form a fourth stream of reducing gas; increasing the water content in the fourth stream by introducing gas into contact with hot water flowing from the gas cooling and purification device; adjusting the water content in the fourth stream to a value in the range of from about 5% to about 12%; heating the fourth stream to a temperature in the range of from about 850 ^° C to about 1000 ^° C; mixing the hot fourth stream with an oxygen-containing gas to raise the temperature of the fourth stream to values in the range of from about 950 ^{° C.} to about 1150 ^{° C.} to form the first stream; and discharging direct reduced iron with the adjusted and predetermined carbon compound from the reactor.

Устройство для получения железа прямого восстановления, которое содержит реактор для восстановления, перекачивающее средство и средство для обеспечения циркуляции, по меньшей мере, части газа, выходящего из верхней части реактора, в контуре восстановления, включающем в себя реактор для восстановления, устройство для охлаждения и очистки газа, предназначенное для охлаждения и очистки газа, выходящего из верхней части реактора, устройство для удаления диоксида углерода, нагреватель газа для повышения температуры потока газа, циркулирующего через контур, до температур в интервале от приблизительно 850^oС до приблизительно 980^oС, средство для смешивания природного газа с подвергшимся рециркуляции газом, выходящим из верхней части реактора для восстановления, перед пропусканием через подогреватель газа и средство для смешивания кислородсодержащего газа с рециркулируюшим газом и регулирования количества кислородсодержащего газа перед поступлением газа в реактор, в результате чего получают железо прямого восстановления с заданным содержанием углерода.A device for producing direct reduction iron, which contains a reduction reactor, a pumping means, and means for circulating at least a portion of the gas leaving the upper part of the reactor in a reduction circuit including a reduction reactor, a cooling and cleaning device gas intended for cooling and purification of the gas leaving the upper part of the reactor, a device for removing carbon dioxide, a gas heater to increase the temperature of the gas stream, circulate it through the loop, to temperatures ranging from about 850 ^o to about 980 ^o C, means for mixing natural gas have been subjected to recirculation gas leaving the top of the reactor to recover, prior to passing through the gas heater, and means for mixing the oxygen-containing gas with retsirkuliruyushim gas and regulating the amount of oxygen-containing gas before the gas enters the reactor, resulting in direct iron with a given carbon content.

Краткое описание чертежа
В данном описании и на чертеже показаны и описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения и предложены различные альтернативные варианты и модификации их. Эти варианты не ограничивают изобретение, более того в его рамках может быть выполнено много других изменений и модификаций. Предложенные здесь варианты выбраны и включены для более полного понимания специалистами в данной области сущности изобретения и его принципов и благодаря чему изобретение можно модифицировать в различных видах, каждый из которых наилучшим образом может удовлетворять условиям конкретного случая применения.Brief Description of the Drawing
In this description and the drawing, some preferred embodiments of the invention are shown and described, and various alternatives and modifications thereof are proposed. These options do not limit the invention, moreover, many other changes and modifications can be made within its framework. The options proposed here are selected and included for a more complete understanding by specialists in this field of the essence of the invention and its principles, and therefore the invention can be modified in various forms, each of which can best suit the conditions of a particular application.

На чертеже показана принципиальная схема предпочтительного варианта осуществления изобретения. The drawing shows a schematic diagram of a preferred embodiment of the invention.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
Как показано на чертеже, ссылочной позицией 5 в целом обозначена система для восстановления, содержащая реактор 10 для восстановления с движущимся слоем, предназначенный для химического восстановления оксидов железа, имеющий зону 12 восстановления и зону 14 выгрузки. Природный газ подают в систему 5 для восстановления из соответствующего источника 16 и смешивают с рециркулирующим и регенерированным восстановительным газом из реактора 10, проходящим по трубе 18. После этого смесь природного газа и рециркулирующего газа пропускается через увлажнитель 20, в котором горячая вода, находящаяся при температуре в интервале от приблизительно 60^oС до приблизительно 90^oС, входит в контакт с потоком газа, в результате чего образуется поток газа, проходящий через трубу 22 и имеющий содержание воды в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 12 объемных процентов. Эта вода используется в качестве окислителя для превращения углеводородов, имеющихся в природном газе, внутри реактора 10 для восстановления. Увлажненную смесь природного газа и рециркулирующего газа подогревают в теплообменнике 24 до температуры от приблизительно 300^oС до приблизительно 400^oС за счет рекуперации тепла от еще горячего потока газа, выходящего из реактора 10 по трубе 26, и указанная смесь проходит по трубе 28 в подогреватель 30 газа, в котором ее температура повышается до значений в интервале от приблизительно 850^oС до приблизительно 1000^oС. Нагрев в подогревателе 30 газа обеспечивается за счет сжигания соответствующего топлива из источника 32 способом, известным в данной области. После этого горячий восстановительный газ проходит через передающую магистраль 34 и смешивается с кислородсодержащим газом из источника 36. Поскольку основная часть газа, проходящего через реактор 10, возвращается обратно в реактор за счет рециркуляции, предпочтительно использовать чистый кислород вместо воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, поскольку азот из воздуха будет скапливаться в рециркулирующем газе. Частичное сжигание восстановительного газа с кислородом обеспечивает повышение его температуры до значений в интервале от приблизительно 1000^oС до приблизительно 1100^oС. Кроме того, в результате этого частичного сжигания, помимо обеспечения энергии для выполнения эндотермических реакций науглероживания железа прямого восстановления, происходит образование водорода и монооксида углерода из углеводородов, содержащихся в природном газе, подаваемом в систему 5 для восстановления. Восстановительный газ, поступающий в реактор и также содержащий углеводороды из природного газа, восстанавливает оксиды железа внутри реактора, и одновременно окислители, содержащиеся в восстановительном газе, преобразуют метан и другие углеводороды в водород и монооксид углерода, используя преимущество каталитических свойств железа прямого восстановления (губчатого железа), полученного в реакторе для восстановления. Восстановительный газ, находящийся при температуре в интервале от приблизительно 250^oС до приблизительно 400^oС, отводят из реактора 10 по трубе 26, которая обеспечивает подачу его в теплообменник 24, и затем этот восстановительный газ проходит по трубе 38 в охладитель-газоочиститель 40, в котором восстановительный газ охлаждается путем непосредственного контакта с охлаждающей водой. Горячую воду, образующуюся в охладителе-газоочистителе 40, можно использовать для увлажнения восстановительного газа, возвращаемого в реактор, как описано в патенте США 5110350. После охлаждения и обезвоживания восстановительный газ проходит по трубе 42 и затем разделяется, по меньшей мере, на две части. Меньшая часть проходит по трубе 44, имеющей клапан 46 давления, через который некоторая часть газа выпускается из системы с целью поддержания и регулирования давления в системе и устранения нежелательного накапливания инертных газов. Большая часть отходящего восстановительного газа проходит по трубе 48 и перекачивается перекачивающим средством 50, которое может представлять собой газодувку или компрессор, с целью возвращения газа в реактор 10 путем рециркуляции. После перекачивающего средства 50 газ проходит по трубе 52 и затем пропускается через соответствующее устройство 54 для удаления диоксида углерода, в котором диоксид углерода отделяется от остальных компонентов потока восстановительного газа с помощью соответствующих средств, например, таких как растворы жидких абсорбентов (горячие растворы карбонатов, растворы аминов или т.п.), с помощью устройств для адсорбции с колебанием давления (PSA - pressure swing adsorption) или предпочтительно с помощью устройств для адсорбции с колебанием объема (VSA - volume swing adsorption). Диоксид углерода отделяется и отводится по трубе 56 для использования его различными способами.Detailed Description of a Preferred Embodiment
As shown in the drawing, reference numeral 5 generally denotes a reduction system comprising a moving bed reduction reactor 10 for chemically reducing iron oxides having a reduction zone 12 and a discharge zone 14. Natural gas is supplied to the recovery system 5 from an appropriate source 16 and mixed with recirculating and regenerated reducing gas from the reactor 10 passing through the pipe 18. Thereafter, the mixture of natural gas and recirculating gas is passed through a humidifier 20 in which hot water at a temperature of in the range of about 60 ^o to about 90 ^o C, comes into contact with the gas stream, whereby a gas stream flowing through pipe 22 and having a water content ranging from about mately 5 to about 12 volume percent. This water is used as an oxidizing agent to convert hydrocarbons present in natural gas inside the reactor 10 for reduction. The humidified mixture of natural gas and recycle gas is heated in a heat exchanger 24 to a temperature of from about 300 ^{° C.} to about 400 ^{° C.} by recovering heat from the still hot gas stream leaving reactor 10 through pipe 26, and this mixture passes through pipe 28 to a heater 30 gas, in which its temperature rises to values in the range from about 850 ^o C to about 1000 ^o C. Heating in the gas heater 30 is provided by burning the corresponding fuel from the source 32 by a method known in this area. After that, the hot reducing gas passes through the transmission line 34 and is mixed with the oxygen-containing gas from the source 36. Since the bulk of the gas passing through the reactor 10 is returned to the reactor by recirculation, it is preferable to use pure oxygen instead of air or oxygen enriched air, since nitrogen from the air will accumulate in the recycle gas. Partial combustion of a reducing gas with oxygen provides an increase in its temperature to values in the range from about 1000 ^° C to about 1100 ^° C. In addition, as a result of this partial burning, in addition to providing energy for performing endothermic carburization reactions of direct reduced iron, hydrogen is formed and carbon monoxide from hydrocarbons contained in natural gas supplied to system 5 for reduction. The reducing gas entering the reactor and also containing hydrocarbons from natural gas reduces the iron oxides inside the reactor, while the oxidizing agents contained in the reducing gas convert methane and other hydrocarbons to hydrogen and carbon monoxide, taking advantage of the catalytic properties of direct reduced iron (sponge iron ) obtained in the reactor for recovery. The reducing gas, which is at a temperature in the range of from about 250 ^{° C.} to about 400 ^{° C.} , is removed from the reactor 10 through a pipe 26, which supplies it to the heat exchanger 24, and then this reducing gas passes through the pipe 38 to the cooler-gas scrubber 40, in which the reducing gas is cooled by direct contact with cooling water. The hot water generated in the chiller / scrubber 40 can be used to wet the reducing gas returned to the reactor, as described in US Pat. No. 5,110,350. After cooling and dewatering, the reducing gas passes through pipe 42 and is then divided into at least two parts. A smaller portion passes through a pipe 44 having a pressure valve 46 through which some of the gas is discharged from the system in order to maintain and control the pressure in the system and to eliminate unwanted accumulation of inert gases. Most of the exhaust reducing gas passes through pipe 48 and is pumped by a pumping means 50, which may be a gas blower or compressor, in order to return the gas to the reactor 10 by recirculation. After the pumping means 50, the gas passes through the pipe 52 and then passes through a suitable carbon dioxide removal device 54, in which carbon dioxide is separated from the remaining components of the reducing gas stream by appropriate means, for example, such as liquid absorbent solutions (hot carbonate solutions, solutions amines or the like), using pressure swing adsorption devices (PSA - pressure swing adsorption) or preferably using pressure swing adsorption devices (VSA - volume swing ads orption). Carbon dioxide is separated and discharged through pipe 56 for use in various ways.

После освобождения от диоксида углерода рециркулирующий газ проходит по трубе 18, тем самым цикл завершается. Содержащую оксиды железа руду 60 в виде комков или окатышей подают в реактор 10 через верхнюю часть зоны 12 восстановления, и указанная руда вступает в реакцию с горячим восстановительным газом, проходящим в противотоке по отношению к руде, и в конце концов выгружается в виде железа 62 прямого восстановления с желательным содержанием углерода. After being freed from carbon dioxide, the recycle gas passes through the pipe 18, thereby completing the cycle. Iron oxide-containing ore 60 in the form of lumps or pellets is fed into the reactor 10 through the top of the reduction zone 12, and this ore reacts with the hot reducing gas in countercurrent with the ore, and ultimately is discharged in the form of direct iron 62 reduction with the desired carbon content.

При желании железо прямого восстановления можно выгружать из реактора 10 для восстановления при высокой температуре, например при температуре свыше приблизительно 500^oС, или его можно выгружать при температуре ниже приблизительно 100^oС путем охлаждения железа прямого восстановления в нижней части реактора за счет циркуляции потока охлаждающего газа, обычно природного газа, в контакте с железом прямого восстановления. С этой целью поток природного газа подают в зону 14 выгрузки из соответствующего источника 64, и при необходимости этот поток может быть возвращен обратно в зону охлаждения путем рециркуляции, или в противном случае его можно использовать в целях восстановления путем транспортировки газа по трубе 66 в контур восстановления, используемый для газа, подаваемого в зону 12 восстановления реактора 10. Кроме того, в целях охлаждения часть восстановительного газа, прошедшего через компрессор 50, может быть отведена из трубы 52, и эту часть можно пропустить по трубе 68, при этом в конце концов указанная часть будет подана в зону 14 охлаждения и выгрузки без смешивания с природным газом 64 или объединенная с природным газом.If desired, direct reduction iron can be discharged from the reduction reactor 10 at a high temperature, for example, at temperatures above about 500 ^{° C.} , or it can be discharged at a temperature below about 100 ^{° C.} by cooling the direct reduction iron at the bottom of the reactor by circulating a cooling stream gas, usually natural gas, in contact with direct reduced iron. To this end, the natural gas stream is supplied to the discharge zone 14 from the corresponding source 64, and if necessary, this stream can be returned back to the cooling zone by recirculation, or otherwise it can be used for recovery by transporting gas through a pipe 66 to the recovery circuit used for the gas supplied to the reduction zone 12 of the reactor 10. In addition, for cooling purposes, part of the reducing gas passing through the compressor 50 can be diverted from the pipe 52, and this part can be skipped be via conduit 68, wherein in said end part will be fed into the cooling zone 14 and the discharge without being mixed with natural gas 64 or combined with the natural gas.

Далее описан пример реализации заявленного способа на демонстрационной установке, имеющей производительность в диапазоне от 23 до 25 метрических тонн железа прямого восстановления в день: восстановительный газ с объемным содержанием воды от 5% до 9,5% и температурой в интервале от 935^oС и 969^oС смешивали с кислородом, и его температура поднималась до значений в интервале от 1013^oС до 1057^oС. Затем этот газ подавали в реактор для восстановления, и он вступал в реакцию с оксидами железа для получения железа прямого восстановления с постоянным уровнем металлизации от 93,18% до 93,28% и содержание углерода в получаемом железе прямого восстановления было обратно пропорционально количеству воды в восстановительном газе и находилось в интервале от 1,15% до 3,64%. Количество диоксида углерода в восстановительном газе перед смешиванием его с кислородом составляло от 4,97% до 5,46%. Это количество диоксида углерода можно считать практически постоянным. Средний расход восстановительного газа до смешивания с кислородом составлял 2207 нормальных кубических метров на тонну железа и средний расход кислорода, смешанного с восстановительным газом, составлял 57 нормальных кубических метров на тонну железа. Расход природного газа, подаваемого как исходный материал в систему для восстановления, составлял 265 нормальных кубических метров на тонну железа. В одном периоде работы установки состав восстановительного газа в объемных процентах перед смешиванием его с кислородом был следующим: водород 48,25; монооксид углерода 14,52; диоксид углерода 5,02; метан 25,62; азот 0,97; вода 4,97; этан 0,61 и пропан 0,06. При вышеуказанном составе содержание углерода в получаемом железе прямого восстановления составляло 3,64%, а его металлизация составляла 93,18%.The following describes an example of the implementation of the claimed method in a demonstration installation having a capacity in the range of 23 to 25 metric tons of direct reduction iron per day: a reducing gas with a water volume content of 5% to 9.5% and a temperature in the range of 935 ^o C and 969 ^o C was mixed with oxygen, and its temperature rose to values in the range of from 1013 ^o C to 1057 ^o C. Then, the gas was fed to the reactor for recovery, and it was reacted with iron oxides to produce DRI with a constant level m metallization from 93.18% to 93.28% and the carbon content in the produced DRI was inversely proportional to the amount of water in the reducing gas and was in the range of from 1.15% to 3.64%. The amount of carbon dioxide in the reducing gas before mixing it with oxygen ranged from 4.97% to 5.46%. This amount of carbon dioxide can be considered almost constant. The average consumption of reducing gas before mixing with oxygen was 2207 normal cubic meters per ton of iron and the average consumption of oxygen mixed with reducing gas was 57 normal cubic meters per ton of iron. The consumption of natural gas supplied as starting material to the recovery system was 265 normal cubic meters per ton of iron. In one period of operation of the installation, the composition of the reducing gas in volume percent before mixing it with oxygen was as follows: hydrogen 48.25; carbon monoxide 14.52; carbon dioxide 5.02; methane 25.62; nitrogen 0.97; water 4.97; ethane 0.61 and propane 0.06. With the above composition, the carbon content in the resulting direct reduction iron was 3.64%, and its metallization was 93.18%.

Из вышеприведенного описания очевидно, что согласно изобретению разработан способ, который позволяет достичь нескольких целей изобретения, сформулированных выше. Таким образом, согласно изобретению разработан новый высокоэффективный способ получения железа прямого восстановления с заданным и точно регулируемым содержанием углерода без применения печи для реформинга для получения восстановительного газа и с обеспечением энергии для науглероживания железа прямого восстановления за счет частичного сжигания с кислородом восстановительного газа, поступающего в реактор для восстановления. From the above description, it is obvious that according to the invention, a method is developed that allows to achieve several objectives of the invention formulated above. Thus, according to the invention, a new highly efficient method for producing direct reduction iron with a predetermined and precisely controlled carbon content is developed without using a reforming furnace to produce a reducing gas and providing energy for carburizing direct reduction iron by partially burning the reducing gas with oxygen entering the reactor recovery.

Естественно, следует понимать, что предусмотрено, что вышеприведенное описание служит только целям иллюстрации и что могут быть выполнены многочисленные изменения в структуре описанной системы и в ее режиме работы, не отходя от объема изобретения на основе формулы изобретения. Naturally, it should be understood that it is provided that the above description serves only the purposes of illustration and that numerous changes can be made in the structure of the described system and in its mode of operation, without departing from the scope of the invention based on the claims.

Claims

1. A method of producing iron by direct reduction with a controlled carbon content in the recovery system without using a natural gas reforming apparatus, comprising introducing granular material containing iron oxides into the upper part of the recovery zone of the moving bed reactor, supplying hot reducing gas and passing it through a reduction zone with the formation of a reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide due to the conversion of hydrocarbons by oxidizing agents, such as at least water and oxygen, by reducing the material containing iron oxides to iron, refined from impurities, and carbonizing it with this gas, withdrawing from the recovery zone of the exhaust reducing gas, removing dioxide from it, mixing the exhaust gas with natural gas, regulating the water content in the mixture and its subsequent heating and unloading of the reduced and carburized iron from the reactor, characterized in that the first reduction gas stream is fed into the reduction zone at a temperature in vomited about 900-1150 ^o C, carbon dioxide was removed, at least part of the second stream to produce a third stream containing no more than about 10% carbon dioxide, is mixed third stream with natural gas to form a fourth stream of reducing gas, water content in the reducing gas before heating is regulated outside the reactor so as to have a water content after heating in the range of about 5-12 vol. %, the fourth stream is heated to elevated reduction temperatures, the hot fourth stream is mixed with oxygen-containing gas to raise the temperature of the fourth stream to values in the range of about 900-1150 ^° C, with the aim of forming the first stream.

2. The method according to p. 1, characterized in that the second stream is subjected to cooling, cleaning and dehydration.

3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the second stream is subjected to sharp cooling with water and the resulting hot water resulting from such a sharp cooling is used to regulate the humidification of the resulting reducing gas before such gas is supplied to the heater.

4. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the water content is regulated by ensuring contact of the gas with water.

5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the carbon content in the resulting direct reduction iron is controlled by adjusting the water content in the reducing gas entering the reduction reactor.

6. The method according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the carbon content, which can be included in the particles of direct reduced iron, can be any value, at least in the range of 1.1-3.64%.

7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that the second and fourth streams of gas are passed through a heat exchanger, in which heat is recovered from the second stream by a fourth stream, in which the fourth stream removes heat from the second stream.

8. The method according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the reducing gas with added natural gas and the adjusted water content is heated in a heater with direct heating to a temperature of approximately 850-1000 ^o C.

9. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that carbon dioxide is removed using an adsorber with a volume fluctuation.

10. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that carbon dioxide is removed using a pressure swing adsorber.

11. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that carbon dioxide is removed using a device for removal using a liquid solution of amines.

12. The method according to any one of paragraphs. 1-11, characterized in that the direct reduction iron is discharged from the reactor for recovery at temperatures above about 500 ^o C.

13. The method according to any one of paragraphs. 1-12, characterized in that the direct reduction iron is discharged from the reactor for reduction at a temperature above about 500 ^o C and then subjected to hot briquetting.

14. The method according to any one of paragraphs. 1-11, characterized in that the direct reduction iron is discharged from the reduction reactor at a temperature below about 100 ^{° C.} due to the circulation of the cooling gas stream in contact with the direct reduction iron.

15. The method according to p. 14, characterized in that the cooling gas contains natural gas.

16. The method according to p. 14, characterized in that the cooling gas contains exhaust gas from the recovery zone of the recovery reactor.

17. The method according to any one of paragraphs. 1-16, characterized in that the second stream of exhaust reducing gas is at a temperature in the range of approximately 250-450 ^o C.

18. The method according to any one of paragraphs. 1-17, characterized in that receive direct reduced iron with chemically bonded carbon with adjustable and predetermined content.

19. A device for recovering granular particles containing iron oxides using a reducing gas to produce direct reduced iron particles having an adjustable carbon content included in them, comprising a moving bed reduction reactor having a reduction zone, a reducing gas circuit for circulation of at least a large part of the gas leaving the upper part of the recovery zone of the reactor for conditioning and enrichment and returning it in an improved of the recirculating reducing gas to the reactor reduction zone, the circuit including a reduction zone, a gas cooling and purification device for cooling and purifying the gas leaving the upper part of the reactor, a pump for circulating the circulating reducing gas through the specified loop and reactor, a device for removing carbon dioxide from the recycle reducing gas, a gas heater to increase the temperature of the gas stream circulating through the specified to ntur to temperatures in the range 850-1000 ^o C, means for adjusting the water content of the recycle reducing gas, characterized in that it comprises means for adding natural gas to said reducing gas loop, and means for mixing and recirculating gas and adjusting the amount of recycle gas before reducing gas enters the reactor.

20. The device according to p. 19, characterized in that the device for removing carbon dioxide is a device for adsorption with pressure fluctuations.

21. The device according to p. 19, characterized in that the device for removing carbon dioxide is a device for adsorption with volume fluctuation.

22. The device according to p. 19, characterized in that the device for removing carbon dioxide is an absorber containing a liquid solution of amines.

23. The device according to any one of paragraphs. 19-22, characterized in that it further comprises a heat exchanger for heating the gas stream leaving the upper part of the reactor.