RU2810184C2 - Method and device for producing directly reduced metal - Google Patents
Method and device for producing directly reduced metal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810184C2 RU2810184C2 RU2021130757A RU2021130757A RU2810184C2 RU 2810184 C2 RU2810184 C2 RU 2810184C2 RU 2021130757 A RU2021130757 A RU 2021130757A RU 2021130757 A RU2021130757 A RU 2021130757A RU 2810184 C2 RU2810184 C2 RU 2810184C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen gas
- furnace
- metal material
- furnace space
- space
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 165
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 65
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 61
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 59
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 9
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 41
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 21
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 21
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 14
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 8
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims 1
- 239000008398 formation water Substances 0.000 claims 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 42
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 15
- 239000002801 charged material Substances 0.000 description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 10
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 10
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 10
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- -1 for example Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 150000002505 iron Chemical class 0.000 description 1
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к способу и устройству получения прямовосстановленного металла, в частности прямовосстановленного железа (также именуемого «губчатое железо»). В частности, настоящее изобретение относится к прямому восстановлению металлической руды в регулируемой водородной атмосфере с получением прямовосстановленного металла.The present invention relates to a method and apparatus for producing direct reduced metal, in particular direct reduced iron (also referred to as "sponge iron"). In particular, the present invention relates to the direct reduction of a metal ore under a controlled hydrogen atmosphere to produce a directly reduced metal.
Уровень техникиState of the art
Получение прямовосстановленного металла с использованием водорода в качестве восстановителя само по себе широко известно. Например, в патентных документах SE7406174-8 и SE7406175-5 раскрыты способы, предусматривающие воздействие на шихту металлической руды омывающим ее потоком водородной атмосферы, в результате чего происходит ее восстановление с образованием прямовосстановленного металла.The production of directly reduced metal using hydrogen as a reducing agent is itself widely known. For example, patent documents SE7406174-8 and SE7406175-5 disclose methods of exposing a charge of metal ore to a flow of hydrogen atmosphere, resulting in its reduction to form a directly reduced metal.
Настоящее изобретение может, в частности, найти применение в случае порционной загрузки и обработки подлежащего восстановлению материала.The present invention can in particular find application in the case of batch loading and processing of the material to be recovered.
Решения из уровня техники имеют ряд недостатков, связанных, в том числе, с эффективностью в части тепловых потерь и использованием газообразного водорода. Одна из проблем управления связана с необходимостью измерения для определения завершения процесса восстановления.Solutions from the prior art have a number of disadvantages, including those related to efficiency in terms of heat loss and the use of hydrogen gas. One of the management challenges relates to the need to measure to determine the completion of the recovery process.
Настоящее изобретение позволяет преодолеть вышеуказанные недостатки.The present invention overcomes the above disadvantages.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
С учетом вышесказанного, изобретение относится к способу получения прямовосстановленного металлического материала, включающему в себя этапы, на которых: а) загружают подлежащий восстановлению металлический материал в пространство печи; b) откачивают имеющуюся атмосферу из пространства печи для создания разрежения внутри пространства печи; с) подводят, на этапе основного нагрева, тепло и газообразный водород в пространство печи для нагрева нагретым газообразным водородом загруженного металлического материала до температуры, достаточно высокой для восстановления присутствующих в металлическом материале оксидов металлов, что, в свою очередь, приводит к образованию водяного пара; и d) осуществляют конденсацию и сбор образовавшегося на этапе с) водяного пара в конденсаторе под загруженным металлическим материалом; отличающемуся тем, что этапы с) и d) выполняют по меньшей мере до тех пор, пока внутри пространства печи не будет достигнуто избыточное давление водородной атмосферы, причем из пространства печи не откачивают газообразный водород до тех пор, пока не будет достигнуто указанное избыточное давление.In view of the above, the invention relates to a method for producing a directly reduced metal material, comprising the steps of: a) loading the metal material to be reduced into a furnace space; b) pumping out the existing atmosphere from the furnace space to create a vacuum inside the furnace space; c) introducing, in the main heating step, heat and hydrogen gas into the furnace space to heat the charged metal material with the heated hydrogen gas to a temperature high enough to reduce the metal oxides present in the metal material, which in turn leads to the formation of water vapor; and d) condensing and collecting the water vapor formed in step c) in a condenser under the loaded metal material; characterized in that steps c) and d) are performed at least until an excess pressure of the hydrogen atmosphere is reached inside the furnace space, and hydrogen gas is not pumped out of the furnace space until said excess pressure is reached.
Изобретение также относится к системе получения прямовосстановленного металлического материала, содержащей: закрытое пространство печи, выполненное с возможностью вмещения загружаемого подлежащего восстановлению металлического материала; средство откачки атмосферы, выполненное с возможностью откачки имеющейся атмосферы из пространства печи для создания разрежения внутри пространства печи; средство подвода тепла и водорода, выполненное с возможностью подвода тепла и газообразного водорода в пространство печи; управляющее устройство, выполненное с возможностью управления, на этапе основного нагрева, средством подвода тепла и водорода для нагрева нагретым газообразным водородом загруженного металлического материала до температуры, достаточно высокой для восстановления присутствующих в металлическом материале оксидов металлов, что, в свою очередь, приводит к образованию водяного пара; и средство охлаждения и сбора, расположенное под загруженным металлическим материалом, выполненное с возможностью конденсации и сбора водяного пара, при этом система отличается тем, что управляющее устройство выполнено с возможностью управления средством подвода тепла и водорода для подвода тепла и газообразного водорода по меньшей мере до тех пор, пока внутри пространства печи не будет достигнуто избыточное давление водородной атмосферы, причем система выполнена с возможностью не осуществления откачки газообразного водорода из пространства печи до тех пор, пока не будет достигнуто указанное избыточное давление.The invention also relates to a system for producing directly reduced metal material, comprising: an enclosed furnace space configured to receive the metal material being charged to be reduced; means for pumping out the atmosphere, configured to pump out the existing atmosphere from the furnace space to create a vacuum inside the furnace space; means for supplying heat and hydrogen, configured to supply heat and hydrogen gas into the furnace space; a control device configured to control, during the main heating step, heat and hydrogen supply means to heat the charged metal material with heated hydrogen gas to a temperature sufficiently high to reduce the metal oxides present in the metal material, which in turn leads to the formation of water pair; and a cooling and collecting means located under the loaded metal material, configured to condense and collect water vapor, wherein the system is characterized in that the control device is configured to control the heat and hydrogen supply means to supply heat and hydrogen gas at least until until the excess pressure of the hydrogen atmosphere is reached inside the furnace space, and the system is configured to not pump out hydrogen gas from the furnace space until said excess pressure is reached.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Далее изобретение будет подробно раскрыто на примерах его осуществления и прилагаемых чертежей, на которых изображены:Next, the invention will be described in detail using examples of its implementation and the accompanying drawings, which depict:
Фиг. 1а - упрощенный вид в поперечном разрезе печи для использования в предлагаемой системе в первом рабочем состоянии;Fig. 1a is a simplified cross-sectional view of a furnace for use in the proposed system in a first operating state;
Фиг. 1b - упрощенный вид в поперечном разрезе печи на Фиг. 1а во втором рабочем состоянии;Fig. 1b is a simplified cross-sectional view of the furnace of FIG. 1a in the second working state;
Фиг. 2 - схематический общий вид предлагаемой системы;Fig. 2 - schematic general view of the proposed system;
Фиг. 3 - схема последовательности предлагаемого способа; иFig. 3 - sequence diagram of the proposed method; And
Фиг. 4 - график возможного отношения давления Н2 к температуре в нагреваемом пространстве печи согласно настоящему изобретению.Fig. 4 is a graph of the possible ratio of H 2 pressure to temperature in the heated space of a furnace according to the present invention.
На Фиг. 1а и 1b одни и те же номера позиций обозначают одни и те же элементы.In FIG. 1a and 1b the same reference numbers designate the same elements.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Фиг. 1а и 1b иллюстрируют печь 100 получения прямовосстановленного металлического материала. На Фиг. 2 изображены две такие печи 210, 220. Печи 210, 220 могут быть идентичны печи 100 или отличны от нее в каких-либо деталях. При этом следует понимать, что все сказанное в настоящем документе касательно печи 100 равным образом применимо к печи 210 и/или 220, и наоборот.Fig. 1a and 1b illustrate a
Также следует понимать, что все сказанное в настоящем документе касательно предлагаемого способа равным образом применимо к предлагаемой системе 200 и/или печи 100; 210, 220, и наоборот.It should also be understood that everything said herein regarding the proposed method is equally applicable to the proposed
Печь 100 как таковая во много схожа с печами, раскрытыми в SE7406174-8 и SE7406175-5, поэтому подробности ее конструкции можно узнать из указанных документов. Важное различие между указанными печами и предлагаемой печью 100 состоит в том, что печь 100 не выполнена с возможностью работы с рециркуляцией газообразного водорода через печь 100 и обратно в сборный сосуд, расположенный за пределами печи 100, в частности выполнена таким образом, в котором не предусмотрена рециркуляция газообразного водорода из печи 100 (или нагреваемого пространства 120 печи) и обратно в печь 100 (или нагреваемое пространство 120 печи) во время обработки одной и той порции загруженного подлежащего восстановлению материала.The
Из нижеследующего описания станет понятно, что печь 100 выполнена с возможностью работы в порционном режиме с восстановлением одной шихты материала за один прием и с возможностью работы, в процессе такой обработки отдельными порциями, в качестве замкнутой системы с точки зрения того, что газообразный водород подают в печь 100, но не удаляют из нее на этапе порционного восстановления.It will be understood from the following description that the
Иначе говоря, количество газообразного водорода, присутствующего внутри печи 100, всегда возрастает во время процесса восстановления. Разумеется, по завершении восстановления газообразный водород откачивают из внутреннего пространства печи 100, однако на этапе восстановления рециркуляция газообразного водорода не происходит.In other words, the amount of hydrogen gas present inside the
Таким образом, печь 100 входит в состав замкнутой системы, содержащей нагреваемое пространство 120 печи, выполненное с возможностью создания в нем избыточного давления, например, по меньшей мере 5 бар, или по меньшей мере 6 бар, или по меньшей мере 8 бар, или даже по меньшей мере 10 бар. Верхняя часть 110 печи 100 выполнена в форме колокола. Ее можно открывать для загрузки подлежащего обработке материала и газонепроницаемо закрывать с помощью крепежных средств 111. Пространство 120 печи изолировано огнеупорным материалом, например, кирпичом 130.Thus, the
Пространство 120 печи выполнено с возможностью нагревания с помощью одного или нескольких нагревательных элементов 121. Нагревательные элементы 121 предпочтительно представляют собой электрические нагревательные элементы. При этом также возможно использование радиационных трубчатых камер сгорания или аналогичных нагреваемых топливом элементов. При этом нагревательные элементы 121 не создают каких-либо газообразных продуктов сгорания, непосредственно химически взаимодействующих с пространством 120 печи, которые необходимо химически регулировать для целей настоящего изобретения. Предпочтительно, чтобы единственным газообразным материалом в пространстве печи во время раскрытого ниже этапа основного нагрева был газообразный водород.The
Нагревательные элементы 121 могут предпочтительно быть выполнены из жаростойкого металлического материала, например, молибденового сплава.The
В нагреваемом пространстве 120 печи также могут быть расположены дополнительные нагревательные элементы. Например, нагревательные элементы, аналогичные элементам 121, могут быть установлены на боковых стенках пространства 120 печи, например, на высоте, соответствующей загруженному материалу или по меньшей мере контейнеру 140. Эти нагревательные элементы могут способствовать нагреву не только газа, но и загруженного материала за счет теплового излучения.Additional heating elements may also be located in the
Печь 100 также содержит нижнюю часть 150, образующую совместно с верхней частью 110 герметичный сосуд, когда печь закрыта с помощью крепежных средств 111.The
Контейнер 140 для подлежащего обработке (восстановлению) материала расположен в нижней части 150 печи 100. Контейнер 140 может быть оперт на огнеупорный пол пространства 120 печи с возможностью прохождения газа под контейнером 140, например, по открытым или закрытым каналам 172, сформированным в указанном полу, при этом указанные каналы 172 проходят от входа 171 для газообразного водорода, например, от центральной части пространства 120 печи у указанного пола печи, радиально наружу к радиальной периферии пространства 120 печи, а затем вверх к верхней части пространства 120 печи. Указанные потоки на раскрытых ниже этапах предварительного и основного нагрева обозначены стрелками потоков на Фиг. 1а.A
Контейнер 140 предпочтительно имеет открытое строение, что означает возможность свободного прохождения газа через по меньшей мере днище/пол контейнера 140. Это может быть обеспечено, например, за счет отверстий, сформированных в днище контейнера 140.The
Подлежащий обработке материал содержит оксид металла, предпочтительно - оксид железа, например, Fe2O3 и/или Fe3O4. Материал может быть гранулированным, например, в форме окатышей или комков. Одним из материалов, подходящих для загрузки для порционного восстановления, являются железорудные окатыши, окатанные в воде до диаметра комка приблизительно 1-1,5 см. Если эта железная руда дополнительно содержит оксиды, парообразование в которых происходит при температурах ниже конечной температуры загруженного материала согласно предлагаемому способу, такие оксиды можно конденсировать в конденсаторе 160 и без труда собирать в форме порошка. Эти оксиды могут включать в себя оксиды металлов, например, Zn и Pb.The material to be treated contains a metal oxide, preferably an iron oxide, for example Fe 2 O 3 and/or Fe 3 O 4 . The material may be granular, for example in the form of pellets or lumps. One of the materials suitable for loading for batch reduction is iron ore pellets, rolled in water to a lump diameter of approximately 1-1.5 cm. If this iron ore additionally contains oxides, vaporization of which occurs at temperatures below the final temperature of the loaded material according to the proposed method, such oxides can be condensed in the
В пространство 120 печи предпочтительно не загружают очень большие количества подлежащего восстановлению материала. В каждую печь 100 предпочтительно загружают не более 50 тонн, например, не более 25 тонн, например, от 5 до 10 тонн, в каждой порции. Данную шихту можно содержать в единственном контейнере 150 внутри пространства 120 печи. В зависимости от необходимой производительности, одновременно могут быть задействованы несколько печей 100, а остаточное тепло от порции в одной печи 220 можно использовать для предварительного нагрева другой печи 210 (см. Фиг. 2 и ниже).The
Вышеуказанное образует систему 200, выполненную с возможностью установки и использования непосредственно на рудничной площадке без необходимости дорогостоящей перевозки руды перед восстановлением. При этом прямовосстановленный металлический материал можно получать непосредственно на площадке, упаковывать в защитной атмосфере и транспортировать на другой объект для дальнейшей переработки.The above constitutes a
Соответственно, в случае использования окатанных в воде железорудных комков, предусмотрена возможность установки печи 100 с подключением ее к системе производства железорудных комков, благодаря чему загрузка металлического материала в контейнере 140 в печь 100 может происходить полностью автоматизированным способом, при котором контейнеры 140 автоматически перемещают по замкнутому контуру из системы производства железорудных комков в систему 100 и обратно, наполняют подлежащими восстановлению железорудными комками; вводят в пространство 120 печи; осуществляют раскрытый в настоящей заявке процесс водородного / термического восстановления; извлекают из пространства 120 печи и опорожняют; возвращают в систему производства железорудных комков; вновь наполняют и т.д. Возможно использование контейнеров 140 в количестве, больше количества печей 100, благодаря чему при каждой перемене порции восстановленную шихту в каком-либо контейнере незамедлительно заменяют в печи 100 другим контейнером, содержащим еще не восстановленный материал. Такая укрупненная система, например, на рудничной площадке, может быть реализована с возможностью полной автоматизации, а также гибкости в части производительности, с использованием нескольких печей 100 меньшего размера вместо одной очень большой печи.Accordingly, in the case of using water-rounded iron ore lumps, it is possible to install a
Под контейнером 140, печь 100 содержит газо-газовый теплообменник 160, который может предпочтительно представлять собой известный трубчатый теплообменник. Теплообменник 160 предпочтительно представляет собой теплообменник противоточного типа. С теплообменником 160, под теплообменником 160, соединен закрытый желоб 161 для сбора и вмещения водяного конденсата из теплообменника 160. Конструкция желоба 161 также позволяет ему выдерживать рабочие давления пространства 120 печи без потери газонепроницаемости.Below the
Теплообменник 160 соединен с пространством 120 печи, предпочтительно с возможностью прохождения холодных / охлажденных газов, поступающих в пространство 120 печи, через теплообменник 160 вдоль расположенных снаружи / на периферии трубок теплообменника и далее по указанным каналам 172 до нагревательного элемента 121. Затем нагретые газы, выходящие из пространства 120 печи, пройдя через загруженный материал и нагрев его (см. ниже), проходят через теплообменник 160 по расположенным внутри / в центре трубкам теплообменника, тем самым нагревая указанные холодные / охлажденные газы. Таким образом, уходящие газы нагревают входящие газы и за счет теплопередачи из-за разности их температур, и за счет теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в уходящих газах, эффективно нагревающей входящие газы.The
Образовавшийся водяной конденсат из уходящих газов собирают в желобе 161.The resulting water condensate from the flue gases is collected in
Печь 100 может содержать набор датчиков температуры и/или давления в желобе 161 (122); в нижней части пространства 120 печи, например, под контейнером 140 (123) и/или в верхней части пространства 120 печи 124. Эти датчики может использовать блок 201 управления для управления процессом восстановления, как будет раскрыто ниже.The
Номер позиции «171» обозначает входной канал для нагрева/охлаждения газообразного водорода. Номер позиции «173» обозначает выходной канал для охлаждения использованного газообразного водорода.Item number "171" denotes the input channel for heating/cooling hydrogen gas. The position number "173" indicates the outlet channel for cooling the used hydrogen gas.
Между желобом 161 и входным каналом 171 может быть расположен канал 162 уравновешивания избыточного давления с клапаном 163. В случае возникновения избыточного давления в желобе 161 из-за больших количеств воды, текущих в желоб 161, избыточное давление может быть сброшено во входной канал 171. Клапан 163 может представлять собой простой клапан сброса избыточного давления, выполненный с возможностью открытия, когда давление в желобе 161 выше давления в канале 171. В качестве альтернативы, клапаном может управлять управляющее устройство 201 (см. ниже) в зависимости от измеренного значения от датчика 122 давления.An excess
Водяной конденсат может быть направлен из конденсатора / теплообменника 160 вниз в желоб через слив 164 или что-либо подобное, выходящий на дно желоба 161, например, в локальной нижней точке 165 желоба, предпочтительно так, чтобы отверстие слива 164 было расположено полностью под основным дном 166 желоба 161, как показано на Фиг. 1а. Это уменьшит завихрение жидкой воды в желобе 161, тем самым обеспечив более управляемые рабочие условия.Water condensation may be directed from the condenser/
Желоб 161 предпочтительно по размерам выполнен с возможностью приема и вмещения всей воды, образующейся в ходе восстановления загруженного материала. Соответственно, размер желоба 161 можно приспосабливать в зависимости от типа и объема одной порции восстановленного материала. Например, в случае полного восстановления 1000 кг Fe3O4 образуется 310 литров воды, в случае полного восстановления 1000 кг Fe2O3 образуется 338 литров воды.The
На Фиг. 2 проиллюстрирована система 200 с возможностью использования в ней печи того типа, что проиллюстрирован на Фиг. 1а и 1b. В частности, одна из или обе печи 210 и 220 могут быть того типа, что проиллюстрирован на Фиг. 1а и 1b, или по меньшей мере по пункту 1 формулы.In FIG. 2 illustrates a
Номер позиции «230» обозначает теплообменник газо-газового типа. «240» обозначает теплообменник газоводяного типа. «250» обозначает вентилятор. «260» обозначает вакуумный насос.«270» обозначает компрессор. «280» обозначает сосуд для использованного газообразного водорода. «290» обозначает сосуд для свежего / неиспользованного газообразного водорода. Номера позиций V1-V14 обозначают клапаны.The item number “230” indicates a gas-to-gas type heat exchanger. “240” indicates a gas-water heat exchanger. "250" stands for fan. "260" stands for vacuum pump. "270" stands for compressor. "280" denotes the container for used hydrogen gas. "290" denotes a vessel for fresh/unused hydrogen gas. Item numbers V1-V14 identify valves.
«201» обозначает управляющее устройство, связанное сдатчиками 122, 123, 124 и клапанами V1-V14, и в целом выполненное с возможностью управления раскрытыми в настоящей заявке процессами. Управляющее устройство 201 также может быть связано с пользовательским управляющим устройством, например, графическим пользовательским интерфейсом, предоставленным компьютером (не показан) пользователю системы 200 для диспетчерского и дополнительного управления."201" denotes a control device associated with
Фиг. 3 иллюстрирует предлагаемый способ, предусматривающий использование системы 100 того типа, что в целом проиллюстрирован на Фиг. 3, и, в частности, печи 100 того типа, что в целом проиллюстрирован на Фиг. 1а и 1b. В частности, способ предназначен для получения прямовосстановленного металлического материала с помощью газообразного водорода в качестве восстановителя.Fig. 3 illustrates a proposed method using a
После указанного прямого восстановления, металлический материал может образовывать губчатый металл. В частности, металлический материал может представлять собой оксид железа, а полученный в результате прямого восстановления продукт может представлять собой губчатое железо. Это губчатое железо можно использовать на последующих этапах способа для производства стали и т.п.After this direct reduction, the metal material may form a sponge metal. In particular, the metal material may be iron oxide, and the resulting direct reduction product may be sponge iron. This sponge iron can be used in subsequent steps of the process for producing steel and the like.
На первом этапе начинают выполнение способа.At the first stage, the implementation of the method begins.
На следующем этапе подлежащий восстановлению металлический материал загружают в пространство 120 печи. Загрузка может происходить путем помещения в пространство 120 печи нагруженного контейнера 140, ориентированного, как показано на Фиг. 1а и 1b, после чего пространство 120 печи может быть закрыто и газонепроницаемо изолировано с помощью крепежных средств 111.In the next step, the metal material to be recovered is loaded into the
На следующем этапе имеющуюся атмосферу откачивают из пространства 120 печи для достижения внутри пространства 120 печи разрежения по сравнению с атмосферным давлением. Это можно осуществлять путем закрытия клапанов 1-8, 11 и 13-14 и открытия клапанов 9-10 и 12, а также высасывания вакуумным насосом и, тем самым, откачивания содержащейся внутри пространства 120 печи атмосферы по каналу, проходящему через 240 и 250. Далее можно открыть клапан 9 для выпуска потока откачанных таким образом газов в окружающую атмосферу, если пространство 120 печи заполнено воздухом. Если пространство 120 печи заполнено использованным газообразным водородом, его откачивают в сосуд 280.In the next step, the existing atmosphere is pumped out of the
В данном примере атмосферу печи откачивают по каналу 173, при этом следует понимать, что возможно использование любого другого подходящего выходного канала, расположенного в печи 100.In this example, the furnace atmosphere is evacuated through
На этапе, на котором осуществляют откачку, как и на других раскрытых ниже этапах, можно задействовать управляющее устройство 201 для регулирования давления в пространстве 120 печи, например, в зависимости от показаний от датчиков 122, 123 и/или 124 давления.During the pumping step, as well as other steps disclosed below, the
Опорожнение можно продолжать до тех пор, пока в пространстве 120 печи не будет достигнуто давление не выше 0,5 бар, предпочтительно не выше 0,3 бар.Emptying can continue until a pressure of no more than 0.5 bar, preferably no more than 0.3 bar, is reached in the
На последующем этапе предварительного нагрева в пространство 120 печи подводят тепло и газообразный водород. Газообразный водород можно подавать из сосудов 280 и/или 290. Поскольку, как сказано выше, печь 100 является закрытой, будет по существу отсутствовать утечка какого-либо количества газообразного водорода в ходе данного процесса. Иначе говоря, потери газообразного водорода (помимо водорода, расходуемого в реакции восстановления) будут очень низкими или будут отсутствовать. При этом расходуемый водород будет представлять собой только водород, химически используемый в процессе восстановления. Кроме того, для процесса восстановления необходим только тот газообразный водород, который входит в необходимое количество для поддержания давления и химического равновесия между газообразным водородом и водяным паром в ходе процесса восстановления.In a subsequent preheating step, heat and hydrogen gas are introduced into the
Как указано выше, сосуд 290 содержит свежий (неиспользованный) газообразный водород, а сосуд 280 содержит газообразный водород, который уже был использован на одном или нескольких этапах восстановления и с того времени был собран в системе 200. Когда процесс восстановления выполняют в первый раз, используют только свежий газообразный водород, подводимый из сосуда 290. В ходе последующих процессов восстановления повторно используют ранее использованный газообразный водород из сосуда 280, который по мере необходимости дополняют свежим газообразным водородом из сосуда 290.As stated above,
На опциональной начальной стадии этапа предварительного нагрева, на которой вводят газообразный водород, выполняемой без подвода тепла до тех пор, пока давление в пространстве 120 печи не достигнет приблизительно 1 бар, клапаны 2, 4-9, 11 и 13-14 закрывают, а клапаны 10 и 12 открывают. В зависимости от того, какой газообразный водород подлежит использованию - свежий или повторно используемый - открывают клапан V1 и/или V3.In an optional initial stage of the preheating step in which hydrogen gas is introduced, performed without heat input until the pressure in the
Когда давление внутри пространства 120 печи достигнет атмосферного давления (приблизительно 1 бар) или приблизится к нему, включают нагревательный элемент 121. Он предпочтительно представляет собой нагревательный элемент 121, подводящий указанное тепло в пространство 120 печи путем нагрева подаваемого газообразного водорода, в свою очередь нагревающего материал в контейнере 140. Нагревательный элемент 121 предпочтительно расположен в месте, мимо которого течет подводимый в пространство 120 печи газообразный водород, вследствие чего нагревательный элемент 121 будет по существу погружен во вновь подводимый газообразный водород (будет полностью или по существу полностью окружен им) в ходе процесса восстановления. Иначе говоря, тепло можно предпочтительно подводить непосредственно в газообразный водород, одновременно подводимый в пространство 120 печи. На Фиг. 1а и 1b представлен предпочтительный вариант, в котором нагревательный элемент 121 расположен в верхней части пространства 120 печи.When the pressure within the
При этом автор настоящего изобретения предусматривает возможность подвода тепла в пространство 120 печи иными путями, например, в газовую смесь внутри пространства 120 печи в месте, удаленном от того, где подводимый газообразный водород поступает в пространство 120 печи. В других примерах подвод тепла в подводимый газообразный водород может происходить в месте за пределами пространства 120 печи до впуска нагретого таким образом газообразного водорода в пространство 120 печи.In this case, the author of the present invention provides the possibility of supplying heat to the
В течение остальной части указанного этапа предварительного нагрева, клапаны 5 и 7-14 закрыты, а клапанами 1-4 и 6 управляет управляющее устройство совместно с компрессором 270 для обеспечения контролируемого подвода повторно используемого и/или свежего газообразного водорода, как раскрыто ниже.During the remainder of said preheating phase,
Соответственно, управляющее устройство 201 выполнено с возможностью управления, в ходе указанного этапа предварительного нагрева, средствами 121, 280, 290 подвода тепла и водорода для подвода тепла и газообразного водорода в пространство 120 печи с возможностью нагрева нагретым газообразным водородом загруженного металлического материала до температуры выше температуры кипения содержащейся в металлическом материале воды. В результате происходит испарение указанной содержащейся воды.Accordingly, the
В течение всего этапа предварительного нагрева и этапа основного нагрева (см. ниже) газообразный водород подают медленно под управлением управляющего устройства 201. Результатом станет постоянное наличие относительно медленного, но устойчивого потока газообразного водорода по вертикали вниз через загруженный материал. В большинстве случаев управляющее устройство выполнено с возможностью постоянного добавления газообразного водорода для поддержания кривой желаемого роста (например, монотонного роста) давления внутри пространства 120 печи и, в частности, уравновешивания падения давления в нижних частях пространства 120 печи (и в нижних частях теплообменника 160) из-за постоянной конденсации водяного пара в теплообменнике 160 (см. ниже). Полное энергопотребление зависит от эффективности теплообменника 160 и, в частности, от его способности к передаче тепловой энергии входящему газообразному водороду и от горячего газа, текущего через теплообменник 160, и от теплоты конденсации конденсирующегося водяного пара. Например, в случае Fe2O3, энергия, теоретически необходимая для нагрева данного оксида, тепловой компенсации эндотермической реакции и восстановления оксида, составляет приблизительно 250 кВт⋅ч на 1000 кг Fe2O3. Для Fe3O4 соответствующее значение составляет приблизительно 260 кВт⋅ч на 1000 кг Fe3O4.Throughout the preheating stage and the main heating stage (see below), hydrogen gas is supplied slowly under the control of the
Важным аспектом настоящего изобретения является отсутствие рециркуляции газообразного водорода в ходе процесса восстановления. В общих чертах, речь об этом шла выше, при этом в примере на Фиг. 1а это означает, что газообразный водород подают, например, через компрессор 270, по входному каналу 171 в верхнюю часть пространства печи 121, где происходит его нагрев нагревательным элементом 121, после чего он медленно проходит вниз, обтекая подлежащий восстановлению металлический материал в контейнере 140, и далее вниз через теплообменник 130 и в желоб 161. При этом отсутствуют какие-либо отверстия для выхода из пространства 120 печи и, в частности, из желоба 161. Канал 173 закрыт, например, за счет того, что закрыты клапаны V10, V12, V13, V14. Соответственно, часть подаваемого газообразного водорода будет использована в процессе восстановления, а другая его часть повысит давление газа в пространстве 120 печи. Данный процесс продолжается до полного или желаемого восстановления металлического материала, как будет раскрыто ниже.An important aspect of the present invention is that there is no recycle of hydrogen gas during the reduction process. In general terms, this was discussed above, while in the example in Fig. 1a, this means that hydrogen gas is supplied, for example, through a
Соответственно, нагретый газообразный водород, находящийся в пространстве 120 печи над загруженным материалом в контейнере 140, будет, под действием медленного подаваемого газообразного водорода, образующего медленный нисходящий поток газа, перемещен вниз на загруженный материал. Там он образует газовую смесь с водяным паром из загруженного материала (см. ниже).Accordingly, the heated hydrogen gas present in the
Образовавшаяся в результате горячая газовая смесь образует поток газа в теплообменник 160 и через него. В теплообменнике 160 будет происходить теплообмен между горячим газом, поступающим из пространства 120 печи, и холодным вновь подводимым газообразным водородом, поступающим из канала 171, в результате которого произойдет предварительный нагрев последнего первым. Иначе говоря, предварительный нагрев газообразного водорода для подвода на этапах предварительного и основного нагрева происходит в теплообменнике 160.The resulting hot gas mixture forms a gas flow into and through the
Из-за охлаждения потока горячего газа происходит конденсация водяного пара, содержащегося в охлаждаемом газе. В результате данной конденсации происходит образование жидкой воды, которую собирают в желобе 161, а также теплоты конденсации. Теплообменник 160 предпочтительно также выполнен с возможностью передачи этой тепловой энергии конденсации от водяного конденсата холодному газообразному водороду для подвода в пространство 120 печи.Due to the cooling of the hot gas flow, condensation occurs of the water vapor contained in the cooled gas. As a result of this condensation, liquid water is formed, which is collected in the
Конденсация содержащегося водяного пара также будет снижать давление горячего газа, текущего вниз из пространства 120 печи, оставляя пространство для прохождения дополнительного горячего газа вниз через теплообменник 160.Condensation of the contained water vapor will also reduce the pressure of the hot gas flowing downward from the
Благодаря медленной подаче дополнительного нагретого газообразного водорода и относительно высокой удельной теплопроводности газообразного водорода, в загруженном материале будет относительно быстро, например, в течение 10 минут или быстрее, достигнута точка кипения содержащейся в загруженном материале жидкой воды, которая к тому времени немного превысит 100°С. В результате будет происходить испарение содержащейся жидкой воды с образованием водяного пара, смешивающегося с горячим газообразным водородом.Due to the slow supply of additional heated hydrogen gas and the relatively high thermal conductivity of the hydrogen gas, the charged material will reach the boiling point of the liquid water contained in the charged material relatively quickly, for example within 10 minutes or less, which will then be slightly above 100°C . As a result, the contained liquid water will evaporate to form water vapor, mixing with hot hydrogen gas.
Конденсация водяного пара в теплообменнике 160 понизит парциальное давление водяного пара у нижнего конца конструкции, из-за чего образующийся в загруженном материале водяной пар будет в целом течь вниз. Данный эффект также усиливает тот факт, что плотность водяного пара по существу ниже плотности газообразного водорода, с которым он смешивается.Condensation of water vapor in
Так содержащаяся в загруженном материале в контейнере 140 вода будет постепенно переходить в пар, который будет течь вниз через теплообменник 160 с охлаждением и конденсацией в нем до жидкого состояния, в котором он попадает в желоб 161.Thus, the water contained in the charged material in the
В теплообменник 160 предпочтительно подают холодный газообразный водород комнатной температуры или температуры, немного ниже комнатной.
Следует понимать, что данный этап предварительного нагрева, на котором происходит осушение загруженного материала от содержащейся в нем жидкой воды, является предпочтительным этапом предлагаемого способа. В частности, благодаря ему загружаемый материал можно производить и подавать в виде гранулированного материала, например, в виде окатышей материала, без необходимости введения дорогостоящего и усложняющего этапа осушки перед загрузкой материала в пространство 120 печи.It should be understood that this preheating step, which drains the loaded material from the liquid water it contains, is the preferred step of the proposed method. In particular, it allows the feed material to be produced and supplied in the form of granular material, for example, in the form of pellets of material, without the need to introduce a costly and complicated drying step before loading the material into the
При этом следует понимать, что можно загружать уже сухой или осушенный материал в пространство 120 печи. В этом случае раскрытый в настоящей заявке этап предварительного нагрева не выполняют и переходят сразу к этапу основного нагрева (см. ниже) способа.It should be understood that it is possible to load already dry or dehydrated material into the
В одном варианте осуществления настоящего изобретения подвод газообразного водорода в пространство 120 печи в ходе указанного этапа предварительного нагрева регулируют таким образом, чтобы он был достаточно медленным для поддержания по существу равновесия давлений от начала до конца выполнения этапа предварительного нагрева, предпочтительно таким образом, чтобы преобладающее давление на всем протяжении пространства 120 печи и ненаполненных жидкостью частей желоба 161 постоянно было по существу равным. В частности, подачу газообразного водорода можно регулировать так, чтобы указанное равновесное давление газа не росло или росло только незначительно на этапе предварительного нагрева. В данном случае, подачу газообразного водорода регулируют так, чтобы давление в пространстве 120 печи росло с течением времени только после того, как произойдет испарение всей или по существу всей жидкой воды из загруженного материала в контейнере 140. Момент времени, в который это произошло, можно определять, например, по восходящему изменению наклона кривой «температура - время» согласно замерам датчика 123 и/или 124 температуры, причем изменение наклона указывает момент, в которой произошло испарение по существу всей жидкой воды, но восстановление еще не началось. В качестве альтернативы, подачу газообразного водорода можно регулировать так, чтобы повысить давление, как только измеренная датчиком 123 и/или 124 температуры температура в пространстве 120 печи превысит предварительно заданный предел, который может составлять от 100°С до 150°С, например, от 120°С до 130°С.In one embodiment of the present invention, the supply of hydrogen gas to the
На последующем этапе основного нагрева продолжают подводить тепло и газообразный водород в пространство 120 печи в порядке, соответствующем подаче на раскрытом выше этапе предварительного нагрева, для нагрева нагретым газообразным водородом загруженного металлического материала до температуры, достаточной высокой для восстановления присутствующих в металлическом материале оксидов металлов, что, в свою очередь, приводит к образованию водяного пара.In the subsequent main heating step, heat and hydrogen gas are continued to be supplied to the
В ходе данного этапа основного нагрева осуществляют подачу и нагрев дополнительного газообразного водорода с постепенным ростом давления внутри пространства 120 печи, в результате чего происходит нагрев загруженного металлического материала до температуры возникновения и поддержания химической реакции восстановления.During this main heating step, additional hydrogen gas is supplied and heated with a gradual increase in pressure within the
В примере на Фиг. 1а и 1b сначала произойдет нагрев самого верхнего загруженного материала. Если материал представляет собой оксид железа, газообразный водород начнет восстанавливать загруженный материал до металлического железа при температуре приблизительно 350-400°С с образованием пиролитического железа и водяного пара согласно следующим формулам:In the example in FIG. 1a and 1b, the topmost loaded material will first be heated. If the material is iron oxide, hydrogen gas will begin to reduce the charged material to metallic iron at a temperature of approximately 350-400°C to form pyrolytic iron and water vapor according to the following formulas:
Данная реакция является эндотермической и обусловлена подачей тепловой энергии посредством горячего газообразного водорода, текущего сверху вниз в пространстве 120 печи.This reaction is endothermic and is driven by the supply of thermal energy via hot hydrogen gas flowing from top to bottom in the
Таким образом, образование водяного пара в загруженном материале происходит и на этапе предварительного нагрева, и на этапе основного нагрева. В конденсаторе, расположенном под загруженным металлическим материалом, происходит непрерывная конденсация и сбор образующегося водяного пара. В примере на Фиг. 1а конденсатор выполнен в виде теплообменника 160.Thus, the formation of water vapor in the loaded material occurs both at the preheating stage and at the main heating stage. In a condenser located under the loaded metal material, continuous condensation and collection of the resulting water vapor occurs. In the example in FIG. 1a the condenser is made in the form of a
Согласно изобретению, этап основного нагрева, на котором происходит указанная конденсация, выполняют до тех пор, пока в пространстве 120 печи не будет достигнуто избыточное относительно атмосферного давление. Например, давление может измерять датчик 123 и/или 124 давления. Как сказано выше, согласно изобретению, из пространства 120 печи не откачивают газообразный водород до тех пор, пока не будет достигнуто указанное избыточное давление, при этом из пространства 120 печи предпочтительно не откачивают газообразный водород до тех пор, пока этап основного нагрева не будет полностью завершен.According to the invention, the main heating step, in which said condensation occurs, is carried out until an excess pressure relative to atmospheric pressure is reached in the
Более предпочтительно, подачу газообразного водорода на этапе основного нагрева и конденсацию водяного пара осуществляют до тех пор, пока в пространстве 120 печи не будет достигнуто предварительно заданное избыточное давление, составляющее по меньшей мере 4 бар, более предпочтительно по меньшей мере 8 бар или даже приблизительно 10 бар в абсолютных величинах.More preferably, the supply of hydrogen gas during the main heating step and the condensation of water vapor is carried out until a predetermined excess pressure of at least 4 bar, more preferably at least 8 bar or even about 10 bar is reached in the
В качестве альтернативы, подачу газообразного водорода на этапе основного нагрева и конденсацию водяного пара можно осуществлять до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние с точки зрения отсутствия дальнейшей необходимости подвода дополнительного газообразного водорода для поддержания достигнутого стационарного давления газа внутри пространства 120 печи. Данное давление можно измерять соответствующим образом, как раскрыто выше. Предпочтительно, стационарное давление газа может составлять по меньшей мере 4 бар, более предпочтительно по меньшей мере 8 бар или даже приблизительно 10 бар. Это обеспечивает простой путь определения того, завершен ли процесс восстановления.Alternatively, the supply of hydrogen gas during the main heating step and the condensation of water vapor can be carried out until a steady state is achieved in terms of no further need to supply additional hydrogen gas to maintain the achieved steady state gas pressure within the
В качестве альтернативы, подачу газообразного водорода и тепла на этапе основного нагрева, а также конденсацию водяного пара, можно осуществлять до тех пор, пока не будет достигнута предварительно заданная температура загруженного подлежащего восстановлению металлического материала, которая может составлять по меньшей мере 600°С, например, от 640 до 680°С, предпочтительно приблизительно 660°С. Температуру загруженного материала можно измерять непосредственно, например, путем измерения теплового излучения от загруженного материала с помощью подходящего датчика или опосредованно с помощью датчика 123.Alternatively, the supply of hydrogen gas and heat in the main heating step, as well as the condensation of water vapor, can be carried out until a predetermined temperature of the loaded metal material to be reduced is reached, which can be at least 600°C, for example , from 640 to 680°C, preferably about 660°C. The temperature of the loaded material can be measured directly, for example, by measuring thermal radiation from the loaded material using a suitable sensor, or indirectly using
В некоторых вариантах осуществления этап основного нагрева, в том числе -указанную конденсацию образующегося водяного пара, осуществляют в течение непрерывного период времени продолжительностью по меньшей мере 0,25 часа, например, по меньшей мере 0,5 часа, например, по меньшей мере 1 час. В течение всего времени и давление, и температура в пространстве 120 печи могут монотонно возрастать.In some embodiments, the main heating step, including said condensation of the resulting water vapor, is carried out over a continuous period of at least 0.25 hour, for example at least 0.5 hour, for example at least 1 hour . During the entire time, both the pressure and the temperature in the
В некоторых вариантах осуществления этап основного нагрева можно также выполнять циклически, при этом в каждом цикле управляющее устройство 201 ждет, пока не будет достигнуто стационарное давление внутри пространства 120 печи перед тем, как осуществить подачу дополнительного количества газообразного водорода в пространство печи. Подвод тепла также может быть циклическим (импульсным) или находится во включенном состоянии в течение всего этапа основного нагрева.In some embodiments, the main heating step may also be performed cyclically, wherein in each cycle, the
Следует отметить, что и во время выполнения этапа предварительного нагрева, и во время выполнения этапов основного нагрева, в частности по меньшей мере в течение по существу всей продолжительности указанных этапов, имеет место нисходящий чистый поток водяного пара через загруженный металлический материал в контейнере 140.It should be noted that during both the preheating step and the main heating steps, particularly for at least substantially the entire duration of said steps, there is a downward net flow of water vapor through the charged metal material in the
На этапах предварительного и основного нагрева управляющее устройство 201 управляет компрессором 270 для постоянного поддержания или повышения давления путем подачи дополнительного газообразного водорода. Данный газообразный водород служит для восполнения водорода, использованного в процессе восстановления, а также для постепенного повышения давления до желаемого конечного давления.During the preheat and main heating stages, the
Образование водяного пара в загруженном материале локально повышает давление газа, фактически создавая разность давлений между пространством 120 печи и желобом 161. Как следствие, образующийся водяной пар будет проходить вниз через загруженный материал и конденсироваться в теплообменнике 160, в свою очередь снижая давление на дальней (относительно пространства 120 печи) стороне теплообменника 160. Указанные процессы создают нисходящее результирующее перемещение газа через шихту, причем вновь добавляемый газообразный водород компенсирует потерю давления в пространстве 120 печи.The formation of water vapor in the charge material locally increases the gas pressure, effectively creating a pressure difference between the
В теплообменнике 160 происходит передача содержащегося в вытекающем из пространства 120 печи газе тепла и, в частности, теплоты конденсации водяного пара, входящему газообразному водороду.In the
Соответственно, данный процесс поддерживают до тех пор, пока имеется подлежащий восстановлению металлический материал и, как следствие, происходит образование водяного пара, порождающее указанное нисходящее перемещение газа. Как только образование водяного пара прекратиться (из-за того, что по существу весь металлический материал будет восстановлен), произойдет выравнивание давления по всему внутреннему пространству печи 100, при этом измеренная температура будет однородной по всему пространству 120 печи. Например, измеренная разность давлений между какой-либо точкой в наполненной газом части желоба 161 и какой-либо точкой над загруженным материалом будет меньше предварительно заданной величины, которая может составлять не более 0,1 бар. Дополнительно или в качестве альтернативы, измеренная разность температур между какой-либо точкой над загруженным материалом и какой-либо точкой под загруженным материалом, за исключением стороны теплообменника у пространства 120 печи, будет меньше предварительно заданной величины, которая может составлять не более 20°С. Следовательно, когда такая однородность давления и/или температуры будет достигнута и измерена, выполнение этапа основного нагрева можно завершить путем прекращения подачи газообразного водорода и выключения нагревательного элемента 121.Accordingly, this process is maintained as long as there is metallic material to be reduced and, as a consequence, the formation of water vapor occurs, giving rise to the specified downward movement of gas. Once the formation of water vapor ceases (due to substantially all of the metallic material being recovered), pressure equalization will occur throughout the interior of the
Таким образом, этап основного нагрева можно осуществлять до тех пор, пока не будет достигнута предварительно заданная минимальная температура и/или давление, и/или до тех пор, пока не будет достигнута предварительно заданная максимальная разность температур и/или максимальная разность давлений в нагреваемом объеме печи 100. Выбор критерия (критериев) для использования зависит предварительных условий, например, конструкции печи 100 и типа подлежащего восстановлению металлического материала. Также возможно использование других критериев, таких, как предварительно заданная продолжительность основного нагрева или завершение предварительно заданной программы подачи тепла/водорода, которые, в свою очередь, могут быть определены эмпирически.Thus, the main heating step can be carried out until a predetermined minimum temperature and/or pressure is reached, and/or until a predetermined maximum temperature difference and/or maximum pressure difference is reached in the
На последующем этапе охлаждения водородную атмосферу в пространстве 120 печи охлаждают до температуры не выше 100°С, предпочтительно приблизительно 50°С, а затем откачивают из пространства 120 печи и собирают.In a subsequent cooling step, the hydrogen atmosphere in the
В случае единственной печи 100/220, не соединенной с одной или несколькими печами, загруженный материал можно охлаждать с помощью вентилятора 250, расположенного ниже по потоку от холодильника 240 газоводяного типа, в свою очередь выполненного с возможностью охлаждения газообразного водорода (перемещаемого по замкнутому контуру вентилятором 250 в контуре через клапан V12, теплообменник 240, вентилятор 250 и клапан V10, выходящего из пространства 120 печи по выходному каналу 173 и вновь поступающему в пространство 120 печи по входному каналу 171). Данная циркуляция для охлаждения показана стрелками на Фиг. 1b.In the case of a
Таким образом, теплообменник 240 осуществляет передачу тепловой энергии от циркулирующего газообразного водорода воде (или другой жидкости), тепловую энергию из которой можно утилизировать подходящим образом, например, в системе централизованного теплоснабжения. Замкнутый контур создают путем закрытия всех клапанов V1-V14, кроме клапанов V10 и V12.Thus, the
Так как в данном случае циркулирующий газообразный водород обтекает загруженный материал в контейнере 140, он поглощает тепловую энергию из загруженного материала, обеспечивая эффективное охлаждение загруженного материала в ходе циркуляции газообразного водорода по замкнутому контуру.As the circulating hydrogen gas then flows around the charge material in the
В другом примере тепловую энергию, которую можно получить при охлаждении печи 100/220, используют для предварительного нагрева другой печи 210. Это достигается за счет того, что управляющее устройство 201, в отличие от раскрытого выше замкнутого контура охлаждения, закрывает клапан V12 и открывает вместо него клапаны V13, V14. Благодаря этому происходит отбор горячего газообразного водорода, поступающего из печи 220, в теплообменник 230 газо-газового типа, предпочтительно представляющий собой противоточный теплообменник, причем предварительный нагрев газообразного водорода, подаваемого на этапе предварительного нагрева или на этапе основного нагрева для другой печи 210, происходит в теплообменнике 230. Далее можно осуществлять циркуляцию в некоторой степени охлажденного газообразного водорода из печи 220 через теплообменник 240 для дополнительного охлаждения перед повторным вводом в печь 220. Как и в предыдущем случае, газообразный водород из печи 220 перемещают по замкнутому контуру с помощью вентилятора 250.In another example, the thermal energy that can be obtained from cooling a
Таким образом, охлаждение газообразного водорода на этапе охлаждения может происходить за счет теплообмена с газообразным водородом, предназначенным для подачи в пространство 120 другой печи 210 для выполнения этапов предварительного и основного нагрева и конденсации, как раскрыто выше применительно к пространству 120 другой печи 210.Thus, cooling of the hydrogen gas in the cooling step may occur by heat exchange with the hydrogen gas intended to be supplied to the
Как только газообразный водород станет недостаточно горячим для нагрева газообразного водорода, подаваемого в печь 210, управляющее устройство 201 вновь закрывает клапаны V13, V14 и вновь открывает клапан V12 для отбора газообразного водорода из печи 220 непосредственно в теплообменник 240.Once the hydrogen gas is not hot enough to heat the hydrogen gas supplied to the
Независимо от пути утилизации его тепловой энергии, газообразный водород из печи 220 охлаждают до тех пор, пока его температура (или, что более важно, температура загруженного материала) не упадет ниже 100°С, во избежание повторного окисления загруженного материала при воздействии на последний воздуха. Температуру загруженного материала можно измерять непосредственно подходящим образом, например, как раскрыто выше, или опосредованно путем измерения подходящим образом температуры газообразного водорода, выходящего по выходному каналу 173.Regardless of how its thermal energy is recovered, the hydrogen gas from
Охлаждение газообразного водорода может происходить с одновременным поддержанием избыточного давления газообразного водорода, или же давление газообразного водорода может упасть из-за того, что горячий газообразный водород сможет занять больший объем (каналов и теплообменников замкнутого контура), как только будут открыты клапаны V10 и V12.Cooling of the hydrogen gas may occur while maintaining an excess pressure of the hydrogen gas, or the pressure of the hydrogen gas may drop due to the hot hydrogen gas being able to occupy more volume (channels and closed loop heat exchangers) once valves V10 and V12 are opened.
На следующем этапе газообразный водород откачивают из пространства 120 печи 220 и собирают в сосуде 280. Откачку можно осуществлять посредством вакуумного насоса 260, возможно - в комбинации с компрессором 270, причем управляющее устройство открывает клапаны V3, V5, V6, V8, V10 и V12, закрывает остальные клапаны, и приводит в действие вакуумный насос 260 и компрессор 270 для перемещения охлажденного газообразного водорода в сосуд 280 использованного газообразного водорода. Откачку предпочтительно осуществляют до тех пор, пока внутри пространства 120 печи не будет определено давление не выше 0,5 бар или даже не выше 0,3 бар.In the next step, hydrogen gas is pumped out from the
Так как пространство 120 печи является закрытым, газообразный водород, изъятый из системы, представляет собой только тот, что был использован в химической реакции восстановления, а остальной газообразный водород - это тот, что был необходим для поддержания баланса газообразного водорода / водяного пара в пространстве 120 печи на этапе основного нагрева. Откачанный газообразный водород полностью пригоден для порционной переработки новой шихты подлежащего восстановлению металлического материала.Since the
На следующем этапе пространство 120 печи открывают, например, путем разблокирования крепежных средств 111 и открытия верхней части 110. Контейнер 140 удаляют и заменяют контейнером с новой порцией загружаемого подлежащего восстановлению металлического материала.In the next step, the
На следующем этапе удаленный восстановленный материал может быть помещен в инертную атмосферу, например, в азотную атмосферу, во избежание повторного окисления при транспортировке и хранении.In the next step, the removed recovered material may be placed in an inert atmosphere, such as a nitrogen atmosphere, to avoid re-oxidation during transport and storage.
Например, восстановленный металлический материал можно поместить в мягкий или жесткий транспортный контейнер, заполненный инертным газом. Несколько таких мягких или жестких контейнеров можно поместить в транспортный контейнер с последующим заполнением его пространства вокруг данных мягких или жестких контейнеров инертным газом. Далее восстановленный металлический материал можно транспортировать без риска повторного окисления.For example, the recovered metal material can be placed in a soft or rigid shipping container filled with an inert gas. A number of such soft or rigid containers can be placed in a shipping container and the space around the soft or rigid containers then filled with inert gas. The recovered metal material can then be transported without the risk of re-oxidation.
В нижеследующей таблице представлено приблизительное равновесие между газообразным водородом Н2 и водяным паром H2O при разных температурах внутри пространства 120 печи:The following table shows the approximate equilibrium between hydrogen gas H 2 and water vapor H 2 O at various temperatures within the furnace space 120:
Под атмосферным давлением, приблизительно 417 м3 газообразного водорода Н2 необходимо для восстановления 1000 кг Fe2O3, и приблизительно 383 м3 газообразного водорода Н2 необходимо для восстановления 1000 кг Fe3O4.Under atmospheric pressure, approximately 417 m 3 of hydrogen gas H 2 is required to reduce 1000 kg of Fe 2 O 3 , and approximately 383 m 3 of hydrogen gas H 2 is required to reduce 1000 kg of Fe 3 O 4 .
Ниже в таблице указано количество газообразного водорода, необходимое для восстановления 1000 кг Fe2O3 и Fe3O4 соответственно под атмосферным давлением и в открытой (известной) системе, но при разных температурах:The table below shows the amount of hydrogen gas required to reduce 1000 kg of Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 , respectively, under atmospheric pressure and in an open (known) system, but at different temperatures:
Ниже в таблице указано количество газообразного водорода, необходимое для восстановления 1000 кг Fe2O3 и Fe3O4 соответственно под разными давлениями и при разных температурах:The table below shows the amount of hydrogen gas required to reduce 1000 kg of Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 , respectively, under different pressures and at different temperatures:
Как раскрыто выше, этап основного нагрева согласно настоящему изобретению предпочтительно выполняют до достижения высокого давления и высокой температуры. Было установлено, что в течение большей части этапа основного нагрева предпочтительно использовать комбинацию температуры нагретого газообразного водорода по меньшей мере 500°С и давления в пространстве 120 печи по меньшей мере 5 бар.As disclosed above, the main heating step of the present invention is preferably performed until a high pressure and a high temperature are reached. It has been found that during most of the main heating phase it is preferable to use a combination of a heated hydrogen gas temperature of at least 500° C. and a pressure in the
Выше были раскрыты предпочтительные варианты осуществления. При этом специалисту будет понятно, что в раскрытые варианты осуществления могут быть внесены изменения без отступления от основной идеи изобретения.Preferred embodiments have been disclosed above. It will be understood by one skilled in the art that changes may be made to the disclosed embodiments without departing from the basic idea of the invention.
Например, печь 100 может иметь иные геометрические параметры в зависимости от заданных предварительных условий.For example, the
Теплообменник 160 раскрыт в виде трубчатого теплообменника. Было установлено, что данный тип является особенно предпочтительным, однако следует понимать, что возможно использование газо-газовых теплообменников / конденсаторов иных типов. Теплообменник 240 может иметь любую подходящую конфигурацию.The
Избыточное тепло от охлаждаемого газообразного водорода также можно использовать в других процессах, где нужна тепловая энергия.The excess heat from cooled hydrogen gas can also be used in other processes where thermal energy is needed.
В качестве подлежащего восстановлению металлического материала в раскрытии указаны оксиды железа. При этом предлагаемые способ и система также могут найти применение для восстановления таких металлических материалов, как вышеуказанные оксиды металлов, например, Zn и Pb, парообразование в которых происходит при температурах ниже приблизительно 600°С.The disclosure identifies iron oxides as the metallic material to be reduced. Moreover, the proposed method and system can also find application for the recovery of metal materials such as the above metal oxides, for example, Zn and Pb, in which vaporization occurs at temperatures below approximately 600°C.
Предлагаемые принципы прямого восстановления также можно использовать для металлических материалов, температуры восстановления которых выше, чем для железной руды, с соответствующими доработками конструкции печи 100, например, в части используемых конструкционных материалов.The proposed direct reduction principles can also be used for metallic materials whose reduction temperatures are higher than for iron ore, with appropriate modifications to the design of the
Таким образом, изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления и в него могут быть внесены изменения без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.Accordingly, the invention is not limited to the embodiments disclosed and may be modified without departing from the scope of the appended claims.
Claims (35)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE1950403-4 | 2019-04-01 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021130757A RU2021130757A (en) | 2023-05-02 |
RU2810184C2 true RU2810184C2 (en) | 2023-12-22 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE382078B (en) * | 1974-05-09 | 1976-01-12 | Skf Nova Ab | PROCEDURE AND OVEN FACILITY FOR BAT MANUFACTURE OF METAL FUNGI |
RU2033431C1 (en) * | 1991-04-02 | 1995-04-20 | Восточно-Сибирская академия нового мышления | Method of metal production |
RU2122035C1 (en) * | 1994-06-23 | 1998-11-20 | Фоест-Альпине Индустрианлагенбау ГмбХ | Method and plant for direct reduction of iron oxide-containing materials (versions) |
WO2012091422A2 (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-05 | 주식회사 포스코 | Device for manufacturing reduced iron using nuclear reactor and method for manufacturing reduced iron using same |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE382078B (en) * | 1974-05-09 | 1976-01-12 | Skf Nova Ab | PROCEDURE AND OVEN FACILITY FOR BAT MANUFACTURE OF METAL FUNGI |
RU2033431C1 (en) * | 1991-04-02 | 1995-04-20 | Восточно-Сибирская академия нового мышления | Method of metal production |
RU2122035C1 (en) * | 1994-06-23 | 1998-11-20 | Фоест-Альпине Индустрианлагенбау ГмбХ | Method and plant for direct reduction of iron oxide-containing materials (versions) |
WO2012091422A2 (en) * | 2010-12-28 | 2012-07-05 | 주식회사 포스코 | Device for manufacturing reduced iron using nuclear reactor and method for manufacturing reduced iron using same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN113874528B (en) | Method and system for batch production of direct reduced metal material in a furnace | |
CN114729416A (en) | Method and apparatus for producing direct reduction carburized metal | |
RU2810184C2 (en) | Method and device for producing directly reduced metal | |
RU2810464C2 (en) | Method for producing directly reduced metal | |
RU2809973C2 (en) | Method and device for producing directly reduced metal | |
JP7515513B2 (en) | Method and apparatus for producing directly reduced metals | |
SE543348C2 (en) | Method and device for producing direct reduced metal | |
CN116018419A (en) | Method and apparatus for producing directly reduced metal | |
SE543355C2 (en) | Method and device for producing direct reduced metal | |
WO2023224541A1 (en) | Method and device for producing direct reduced metal |