RU2810464C2

RU2810464C2 - Method for producing directly reduced metal

Info

Publication number: RU2810464C2
Application number: RU2021130763A
Authority: RU
Inventors: Ханс МЮРРЕЙ
Original assignee: Гринайрон Х2 Аб
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2023-12-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention can be used to obtain directly reduced iron. In step a) the metal material to be recovered is loaded into the furnace. In step b) the existing atmosphere is pumped out of the furnace to create a vacuum inside the furnace space. In step c), heat and hydrogen gas are supplied to the furnace 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, resulting in the formation of water vapour. At stage (d), the water vapour formed at stage (c) is condensed and collected in a condenser under the loaded metal material. Hydrogen gas is supplied in step c) without recirculating the hydrogen gas. A subsequent step in which the recovered metal material is recovered and stored and/or transported in an inert atmosphere.

EFFECT: invention makes it possible to control the process of direct reduction of metal ore in a controlled hydrogen atmosphere to produce directly reduced sponge iron.

16 cl, 4 dwg, 3 tbl

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 SE 7406174-8 и SE 7406175-5 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 SE 7406174-8 and SE 7406175-5 disclose methods for 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; Ь) 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 указанный газообразный водород на этапе с) подводят без рециркуляции газообразного водорода, причем способ дополнительно включает в себя последующий этап, на котором извлекают восстановленный металлический материал из пространства (120) печи и хранят и/или транспортируют восстановленный металлический материал в инертной атмосфере.In view of the foregoing, 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) pump 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 said hydrogen gas is supplied in step c) without recycling the hydrogen gas, the method further comprising the subsequent step of removing the reduced metal material from the furnace space (120) and storing and/or transporting the reduced metal material in an inert atmosphere .

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 furnace 100 for producing direct reduced metal material. In FIG. 2 depicts two such ovens 210, 220. The ovens 210, 220 may be identical to or different from oven 100 in some detail. It should be understood that everything said herein regarding furnace 100 is equally applicable to furnace 210 and/or 220, and vice versa.

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 system 200 and/or oven 100; 210, 220, and vice versa.

Печь 100 как таковая во много схожа с печами, раскрытыми в SE 7406174-8 и SE 7406175-5, 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 furnace 100 as such is very similar to the furnaces disclosed in SE 7406174-8 and SE 7406175-5, so details of its design can be learned from these documents. An important difference between these furnaces and the proposed furnace 100 is that the furnace 100 is not configured to operate with recycling of hydrogen gas through the furnace 100 and back into a collection vessel located outside the furnace 100, in particular, it is configured in such a way that it is not recirculating hydrogen gas from the furnace 100 (or heated furnace space 120) and back into the furnace 100 (or heated furnace space 120) during the processing of one and the same portion of the charged material to be recovered.

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 furnace 100 is configured to operate in a batch mode, recovering one batch of material at a time, and to operate, during such batch processing, as a closed system in that hydrogen gas is supplied to oven 100, but is not removed from it during the batch recovery step.

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 furnace 100 always increases during the reduction process. Of course, upon completion of the reduction, hydrogen gas is pumped out from the interior of the furnace 100, but the hydrogen gas is not recirculated during the reduction step.

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 oven 100 is part of a closed system containing a heated oven space 120 configured to create an excess pressure therein, for example, at least 5 bar, or at least 6 bar, or at least 8 bar, or even at least 10 bar. The upper part 110 of the furnace 100 is shaped like a bell. It can be opened to load the material to be processed and closed gas-tight using fasteners 111. The oven space 120 is insulated with a refractory material, such as brick 130.

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 oven space 120 is configured to be heated by one or more heating elements 121. The heating elements 121 are preferably electric heating elements. It is also possible to use radiant tubular combustion chambers or similar fuel-heated elements. However, the heating elements 121 do not create any combustion gases that directly react chemically with the oven space 120 that need to be chemically controlled for purposes of the present invention. Preferably, the only gaseous material in the furnace space during the main heating step disclosed below is hydrogen gas.

Нагревательные элементы 121 могут предпочтительно быть выполнены из жаростойкого металлического материала, например, молибденового сплава.The heating elements 121 may preferably be made of a heat-resistant metal material, such as a molybdenum alloy.

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 heated space 120 of the oven. For example, heating elements similar to elements 121 may be mounted on the side walls of the oven space 120, for example, at a height corresponding to the charge material or at least the container 140. These heating elements may help heat not only the gas, but also the charge material by thermal radiation.

Печь 100 также содержит нижнюю часть 150, образующую совместно с верхней частью 110 герметичный сосуд, когда печь закрыта с помощью крепежных средств 111.The oven 100 also includes a lower portion 150 that, together with the upper portion 110, forms a sealed container when the oven is closed by the fasteners 111.

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 container 140 for material to be processed (recovered) is located at the bottom 150 of the furnace 100. The container 140 may be supported on a refractory floor of the furnace space 120 with the possibility of gas passing under the container 140, for example, through open or closed channels 172 formed in the said floor, wherein said passages 172 extend from the hydrogen gas inlet 171, for example, from a central portion of the oven space 120 at said oven floor, radially outward to the radial periphery of the oven space 120, and then upward to the top of the oven space 120. These streams in the preheating and main heating stages disclosed below are indicated by stream arrows in FIG. 1a.

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 container 140 preferably has an open structure, which means that gas can freely pass through at least the bottom/floor of the container 140. This may be provided, for example, by openings formed in the bottom of the container 140.

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 condenser 160 and easily collected in powder form. These oxides may include metal oxides such as Zn and Pb.

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 oven space 120 is preferably not charged with very large amounts of material to be recovered. Each oven 100 is preferably charged with no more than 50 tons, such as no more than 25 tons, such as 5 to 10 tons, in each batch. This charge may be contained in a single container 150 within the furnace space 120. Depending on the required output, multiple ovens 100 can be operated simultaneously, and the residual heat from a batch in one oven 220 can be used to preheat another oven 210 (see FIG. 2 and below).

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 system 200 capable of being installed and used directly at a mine site without the need for costly transportation of ore prior to recovery. In this case, directly reduced metal material can be obtained directly on site, packaged in a protective atmosphere and transported to another facility for further processing.

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 furnace 100 with its connection to the iron ore lump production system, due to which the loading of metal material in the container 140 into the furnace 100 can occur in a fully automated manner, in which the containers 140 are automatically moved in a closed loop. the circuit from the iron ore lump production system to system 100 and back is filled with iron ore lumps to be restored; introduced into oven space 120; carry out the hydrogen/thermal reduction process disclosed herein; removed from oven space 120 and emptied; returned to the iron ore lump production system; refill, etc. It is possible to use containers 140 in a quantity greater than the number of furnaces 100, due to which, with each change in portion, the recovered charge in any container is immediately replaced in the furnace 100 by another container containing material that has not yet been reduced. Such a larger system, for example at a mine site, can be implemented with full automation capabilities as well as productivity flexibility, using multiple smaller furnaces 100 instead of one very large furnace.

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 container 140, the oven 100 contains a gas-to-gas heat exchanger 160, which may preferably be a known tubular heat exchanger. The heat exchanger 160 is preferably a counterflow type heat exchanger. Connected to the heat exchanger 160, below the heat exchanger 160, is a closed trough 161 to collect and contain water condensate from the heat exchanger 160. The design of the trough 161 also allows it to withstand the operating pressures of the furnace space 120 without loss of gas tightness.

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 heat exchanger 160 is connected to the furnace space 120, preferably allowing the cold/cooled gases entering the furnace space 120 to pass through the heat exchanger 160 along the external/peripheral heat exchanger tubes and then through said channels 172 to the heating element 121. The heated gases then exit from the furnace space 120, after passing through the charged material and heating it (see below), pass through the heat exchanger 160 along the inner/central heat exchanger tubes, thereby heating said cold/cooled gases. Thus, the exhaust gases heat the incoming gases both due to heat transfer due to the difference in their temperatures, and due to the heat of condensation of water vapor contained in the exhaust gases, which effectively heats the incoming gases.

Образовавшийся водяной конденсат из уходящих газов собирают в желобе 161.The resulting water condensate from the flue gases is collected in chute 161.

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 oven 100 may include a set of temperature and/or pressure sensors in the trough 161 (122); in the lower portion of the oven space 120, for example, under the container 140 (123) and/or in the upper portion of the oven space 120 124. These sensors may be used by the control unit 201 to control the recovery process, as will be disclosed below.

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 pressure balancing passage 162 with a valve 163 may be located between the trough 161 and the inlet passage 171. In the event that excess pressure occurs in the trough 161 due to large quantities of water flowing into the trough 161, the excess pressure can be released into the inlet passage 171. Valve 163 may be a simple overpressure relief valve configured to open when the pressure in trough 161 is greater than the pressure in port 171. Alternatively, the valve may be controlled by control device 201 (see below) based on a sensed value from pressure sensor 122.

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/heat exchanger 160 down into the trough through a drain 164 or the like extending to the bottom of the trough 161, for example at a local low point 165 of the trough, preferably with the opening of the drain 164 located entirely below the main bottom. 166 of the troughs 161, as shown in FIG. 1a. This will reduce the turbulence of the liquid water in the trough 161, thereby providing more controlled operating conditions.

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 trough 161 is preferably sized to receive and accommodate all water generated during recovery of the charged material. Accordingly, the size of the trough 161 can be adjusted depending on the type and volume of one portion of recovered material. For example, in the case of complete reduction of 1000 kg of Fe ₃ O ₄ , 310 liters of water are formed, in the case of complete reduction of 1000 kg of Fe ₂ O ₃ , 338 liters of water are formed.

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 system 200 capable of using a furnace of the type illustrated in FIG. 1a and 1b. In particular, one or both of the ovens 210 and 220 may be of the type illustrated in FIG. 1a and 1b, or at least according to claim 1.

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. Position 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 transmitters 122, 123, 124 and valves V1-V14, and generally configured to control the processes disclosed herein. The control device 201 may also be associated with a user control device, such as a graphical user interface, provided by a computer (not shown) to the user of the system 200 for supervisory and auxiliary control.

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 system 100 of the type generally illustrated in FIG. 3, and in particular an oven 100 of the type generally illustrated in FIG. 1a and 1b. In particular, the method is intended to produce a directly reduced metallic material using hydrogen gas as a reducing agent.

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 furnace space 120. Loading may occur by placing a loaded container 140 oriented as shown in FIG. 1a and 1b, after which the oven space 120 can be closed and gas-tightly sealed using fasteners 111.

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 furnace space 120 to achieve a vacuum inside the furnace space 120 compared to atmospheric pressure. This can be done by closing the valves 1-8, 11 and 13-14 and opening the valves 9-10 and 12, as well as sucking with a vacuum pump and thereby pumping out the atmosphere contained inside the furnace space 120 through the channel passing through 240 and 250. The valve 9 can then be opened to release the flow of gases thus pumped out into the surrounding atmosphere if the furnace space 120 is filled with air. If the furnace space 120 is filled with spent hydrogen gas, it is pumped into the vessel 280.

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 duct 173, it being understood that any other suitable outlet duct located in furnace 100 may be used.

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 control device 201 can be operated to regulate the pressure in the oven space 120, for example, depending on readings from pressure sensors 122, 123 and/or 124.

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 oven space 120.

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 furnace space 120. Hydrogen gas may be supplied from vessels 280 and/or 290. Since, as stated above, the furnace 100 is closed, there will be substantially no leakage of any hydrogen gas during the process. In other words, there will be very little or no loss of hydrogen gas (other than the hydrogen consumed in the reduction reaction). In this case, the hydrogen consumed will only be the hydrogen chemically used in the reduction process. In addition, the reduction process requires only that hydrogen gas that is included in the required quantity to maintain the pressure and chemical equilibrium between hydrogen gas and water vapor during the reduction process.

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, vessel 290 contains fresh (unused) hydrogen gas, and vessel 280 contains hydrogen gas that has already been used in one or more reduction steps and has since been collected in system 200. When the reduction process is performed for the first time, use only fresh hydrogen gas supplied from vessel 290. Subsequent reduction processes reuse previously used hydrogen gas from vessel 280, which is supplemented with fresh hydrogen gas from vessel 290 as needed.

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 furnace space 120 reaches approximately 1 bar, the valves 2, 4-9, 11 and 13-14 are closed and the valves 10 and 12 open. Depending on whether the hydrogen gas to be used is fresh or reused, valve V1 and/or V3 is opened.

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 oven space 120 reaches or approaches atmospheric pressure (approximately 1 bar), the heating element 121 is turned on. This is preferably a heating element 121 that supplies said heat to the oven space 120 by heating the supplied hydrogen gas, which in turn heats the material. in the container 140. The heating element 121 is preferably located at a location past which hydrogen gas supplied to the furnace space 120 flows, such that the heating element 121 will be substantially immersed in (completely or substantially completely surrounded by) the newly supplied hydrogen gas during the process recovery. In other words, heat may preferably be supplied directly to the hydrogen gas simultaneously supplied to the furnace space 120. In FIG. 1a and 1b show a preferred embodiment in which the heating element 121 is located at the top of the oven space 120.

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 furnace space 120 in other ways, for example, into the gas mixture inside the furnace space 120 at a place remote from where the supplied hydrogen gas enters the furnace space 120. In other examples, the addition of heat to the supplied hydrogen gas may occur at a location outside the furnace space 120 prior to the admission of the thus heated hydrogen gas into the furnace space 120.

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, valves 5 and 7-14 are closed and valves 1-4 and 6 are controlled by a control device in conjunction with compressor 270 to provide a controlled supply of recycled and/or fresh hydrogen gas, as disclosed below.

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 control device 201 is configured to control, during said preheating step, the heat and hydrogen supply means 121, 280, 290 to supply heat and hydrogen gas to the furnace space 120 so that the heated hydrogen gas heats the charged metal material to a temperature above the temperature boiling of the water contained in the metal material. As a result, said contained water evaporates.

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 control device 201. The result will be a constant presence of a relatively slow but steady flow of hydrogen gas vertically downward through the charged material. In most cases, the control device is configured to continuously add hydrogen gas to maintain a desired growth curve (e.g., monotonic increase) of pressure within the furnace space 120 and, in particular, to balance the pressure drop in the lower portions of the furnace space 120 (and in the lower portions of the heat exchanger 160) due to the constant condensation of water vapor in the heat exchanger 160 (see below). The overall energy consumption depends on the efficiency of the heat exchanger 160 and, in particular, on its ability to transfer thermal energy to the incoming hydrogen gas and the hot gas flowing through the heat exchanger 160 and the heat of condensation of the condensing water vapor. For example, in the case of Fe ₂ O ₃ , the energy theoretically required to heat a given oxide, thermally compensate for the endothermic reaction, and reduce the oxide is approximately 250 kWh per 1000 kg Fe ₂ O ₃ . For Fe ₃ O ₄ the corresponding value is approximately 260 kWh per 1000 kg Fe ₃ O ₄ .

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 compressor 270, through an inlet channel 171 into the upper part of the furnace space 121, where it is heated by a heating element 121, after which it slowly passes downward, flowing around the metal material to be recovered in the container 140, and further down through the heat exchanger 130 and into the trough 161. There are no openings for exiting the furnace space 120 and, in particular, from the trough 161. The channel 173 is closed, for example, due to the fact that the valves V10, V12, V13, V14. Accordingly, part of the supplied hydrogen gas will be used in the reduction process, and another part will increase the gas pressure in the furnace space 120. This process continues until complete or desired recovery of the metallic material is achieved, as will be disclosed below.

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 furnace space 120 above the charge material in the container 140 will, under the influence of the slowly supplied hydrogen gas forming a slow downward flow of gas, be moved down onto the charge material. There it forms a gas mixture with water vapor from the loaded material (see below).

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 heat exchanger 160. Heat exchanger 160 will exchange heat between the hot gas coming from the furnace space 120 and the cold re-introduced hydrogen gas coming from the passage 171, causing the latter to preheat first. In other words, the preheating of hydrogen gas for supply in the preheating and main heating stages occurs in the heat exchanger 160.

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 trench 161, as well as the heat of condensation. The heat exchanger 160 is also preferably configured to transfer this condensation heat energy from the water condensate to the cold hydrogen gas for supply to the furnace space 120.

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 furnace space 120, leaving room for additional hot gas to flow downward through the heat exchanger 160.

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 heat exchanger 160 will lower the partial pressure of water vapor at the lower end of the structure, causing water vapor generated in the charged material to generally flow downward. This effect is also enhanced by the fact that the density of water vapor is essentially lower than the density of the hydrogen gas with which it mixes.

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 container 140 will gradually turn into steam, which will flow down through the heat exchanger 160 and cool and condense therein to a liquid state, in which it enters the trough 161.

В теплообменник 160 предпочтительно подают холодный газообразный водород комнатной температуры или температуры, немного ниже комнатной.Heat exchanger 160 is preferably supplied with cold hydrogen gas at or slightly below room temperature.

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 furnace space 120.

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 oven space 120. In this case, the preheating step disclosed in this application is not performed and the method proceeds directly to the main heating step (see below).

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 furnace space 120 during said preheating step is adjusted to be slow enough to maintain substantially equilibrium pressures from the beginning to the end of the preheating step, preferably such that the prevailing pressure throughout the furnace space 120 and the non-liquid-filled portions of the trough 161 was always substantially equal. In particular, the supply of hydrogen gas can be controlled so that said equilibrium gas pressure does not increase or only increases slightly during the preheating step. In this case, the supply of hydrogen gas is controlled so that the pressure in the furnace space 120 increases over time only after all or substantially all of the liquid water in the charged material in the container 140 has evaporated. The point in time at which this occurs can be determined, for example, by an upward change in the slope of a temperature-time curve as measured by temperature sensor 123 and/or 124, the change in slope indicating the point at which substantially all liquid water has evaporated but recovery has not yet begun. Alternatively, the supply of hydrogen gas can be adjusted to increase the pressure once the temperature measured by the temperature sensor 123 and/or 124 in the furnace space 120 exceeds a predetermined limit, which may be from 100° C. to 150° C., for example, from 120 °C to 130°C.

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 furnace space 120 in a manner consistent with the supply in the preheating step disclosed above to heat the heated hydrogen gas to the charged metal material to a temperature high enough to reduce the metal oxides present in the metal material, such that , in turn, leads to the formation of water vapor.

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 furnace space 120, thereby heating the charged metal material to the temperature at which a chemical reduction reaction occurs and is maintained.

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:

Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂OFe ₂ O ₃ +3H ₂ =2Fe+3H ₂ O

Fe₃O₄+4Н₂=2Fe+4H₂OFe ₃ O ₄ +4H ₂ =2Fe+4H ₂ O

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 furnace space 120.

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 heat exchanger 160.

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 furnace space 120. For example, pressure may be measured by pressure sensor 123 and/or 124. As stated above, according to the invention, hydrogen gas is not pumped out of the furnace space 120 until said excess pressure is reached, and hydrogen gas is preferably not pumped out of the furnace space 120 until the main heating step is completely completed. .

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 furnace space 120 bar in absolute values.

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 furnace space 120. This pressure can be measured accordingly as disclosed above. Preferably, the steady-state gas pressure may be at least 4 bar, more preferably at least 8 bar, or even about 10 bar. This provides an easy way to determine whether the recovery process is complete.

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 charged metal material to be reduced is reached, which may 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 sensor 123.

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 furnace space 120 can increase monotonically.

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 control device 201 waits until a steady pressure is reached within the furnace space 120 before introducing additional hydrogen gas into the furnace space. The heat supply can also be cyclic (pulsed) or remain on during the entire main heating phase.

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 container 140.

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 control device 201 controls the compressor 270 to continuously maintain or increase the pressure by supplying additional hydrogen gas. This hydrogen gas serves to replenish the hydrogen used in the reduction process and to gradually increase the pressure to the desired final pressure.

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 furnace space 120 and the trough 161. As a consequence, the resulting water vapor will flow down through the charge material and condense in the heat exchanger 160, in turn reducing the pressure at the far (relatively furnace space 120) side of the heat exchanger 160. These processes create a downward net movement of gas through the charge, with newly added hydrogen gas compensating for the loss of pressure in furnace space 120.

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 heat exchanger 160, the heat contained in the gas escaping from the furnace space 120, and in particular the heat of condensation of water vapor, is transferred to the incoming hydrogen gas.

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 furnace 100, and the measured temperature will be uniform throughout the entire interior of the furnace 120. For example, the measured pressure difference between a point in the gas-filled portion of the trough 161 and a point above the loaded material will be less than a predetermined value, which may be no more than 0.1 bar. Additionally or alternatively, the measured temperature difference between any point above the loaded material and any point below the loaded material, excluding the heat exchanger side of the oven space 120, will be less than a predetermined value, which may be no more than 20°C. Therefore, when such uniformity of pressure and/or temperature has been achieved and measured, the main heating step can be completed by stopping the supply of hydrogen gas and turning off the heating element 121.

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 heated volume furnace 100. The selection of criterion(s) to use depends on prerequisites, such as the design of the furnace 100 and the type of metallic material to be recovered. It is also possible to use other criteria, such as a preset main heating duration or completion of a preset heat/hydrogen program, which in turn can be determined empirically.

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 furnace space 120 is cooled to a temperature not exceeding 100°C, preferably approximately 50°C, and then pumped out of the furnace space 120 and collected.

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 single furnace 100/220 not connected to one or more furnaces, the charged material can be cooled by a fan 250 located downstream of the gas-water-type refrigerator 240, which in turn is configured to cool the hydrogen gas (moved in a closed loop by the fan 250 in the circuit through valve V12, heat exchanger 240, fan 250 and valve V10 leaving the furnace space 120 through the outlet channel 173 and reentering the furnace space 120 through the inlet channel 171). This cooling circulation is shown by arrows in FIG. 1b.

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 heat exchanger 240 transfers thermal energy from the circulating hydrogen gas to water (or other liquid), the thermal energy from which can be appropriately recovered, for example, in a district heating system. A closed loop is created by closing all valves V1-V14 except valves V10 and V12.

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 container 140, it absorbs thermal energy from the charge material, allowing the charge material to be effectively cooled as the hydrogen gas circulates in a closed loop.

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 furnace 100/220 is used to preheat another furnace 210. This is achieved by the fact that the control device 201, in contrast to the closed cooling loop disclosed above, closes valve V12 and opens instead its valves V13, V14. This allows the hot hydrogen gas supplied from the furnace 220 to be transferred to a gas-to-gas heat exchanger 230, preferably a counterflow heat exchanger, wherein the hydrogen gas supplied in a preheating step or in a main heating step for another furnace 210 is preheated in heat exchanger 230. The somewhat cooled hydrogen gas from furnace 220 may then be circulated through heat exchanger 240 for additional cooling before being reintroduced to furnace 220. As before, hydrogen gas from furnace 220 is moved in a closed loop by fan 250.

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 space 120 of the other furnace 210 to perform the preheating and main heating and condensation steps as discussed above with respect to the space 120 of the other furnace 210.

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 furnace 210, the control device 201 again closes valves V13, V14 and reopens valve V12 to draw hydrogen gas from the furnace 220 directly to the heat exchanger 240.

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 furnace 220 is cooled until its temperature (or, more importantly, the temperature of the charge material) falls below 100° C. to prevent re-oxidation of the charge material when exposed to air. . The temperature of the charged material may be measured directly, in a suitable manner, for example, as disclosed above, or indirectly, by suitably measuring the temperature of the hydrogen gas exiting through the outlet passage 173.

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 space 120 of the furnace 220 and collected in a vessel 280. The pumping can be carried out by means of a vacuum pump 260, possibly in combination with a compressor 270, with the control device opening the valves V3, V5, V6, V8, V10 and V12, closes the remaining valves, and operates the vacuum pump 260 and the compressor 270 to move the cooled hydrogen gas into the used hydrogen gas vessel 280. Evacuation is preferably carried out until a pressure within the furnace space 120 is determined to be no higher than 0.5 bar or even no higher than 0.3 bar.

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 furnace space 120 is closed, the hydrogen gas removed from the system is only that which was used in the chemical reduction reaction, and the remaining hydrogen gas is that which was needed to maintain the hydrogen gas/steam balance in the space 120 oven at the main heating stage. The pumped-out hydrogen gas is completely suitable for batch processing of a new batch of metal material to be restored.

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 furnace space 120 is opened, for example, by unlocking the fasteners 111 and opening the top 110. The container 140 is removed and replaced with a container containing a new load of metallic material to be recovered.

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 furnace space 120 of at least 5 bar.

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 oven 100 may have different geometric parameters depending on predetermined preconditions.

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 heat exchanger 160 is disclosed as a tubular heat exchanger. This type has been found to be particularly preferred, however it should be understood that other types of gas-to-gas heat exchangers/condensers may be used. Heat exchanger 240 may have any suitable configuration.

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 furnace 100, for example, in terms of the materials of construction used.

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

1. A method for producing a directly reduced metal material, including the steps of:

a) loading the metal material to be recovered into the furnace space (120);

b) pumping out the existing atmosphere from the furnace space (120) to create a vacuum inside the furnace space (120);

c) introducing, in the main heating step, heat and hydrogen gas into the furnace space (120) 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 water vapor; And

d) condensing and collecting the water vapor formed in step c) in a condenser (160) under the loaded metal material;

characterized in that said hydrogen gas is supplied in step c) without recycling the hydrogen gas, the method further comprising the subsequent step of removing the reduced metal material from the furnace space (120) and storing and/or transporting the reduced metal material in an inert atmosphere .

2. The method according to claim 1, characterized in that steps c) and d) are performed at least until an excess pressure of the hydrogen atmosphere is reached inside the space (120) of the furnace, and the space (120) of the furnace is not pumped out hydrogen gas until the specified excess pressure is reached.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the amount of material loaded in step a) is no more than 50 tons, preferably no more than 25 tons, preferably from 5 to 10 tons of such material.

4. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that steps a)-d) of the method are performed in a system (200) provided directly at the mine site, and these steps are performed to obtain directly reduced metal material at the specified mine site, after which it packaged in a protective atmosphere and then transported to another facility for further processing.

5. The method according to any of the previous claims, characterized in that it further includes the step of, after step d), cooling the charged material by circulating said hydrogen gas through the charged material, heating the hydrogen gas by the charging material and cooling it by heat exchange using a heat exchanger.

6. The method according to claim 5, characterized in that the loaded material is cooled until the temperature of the loaded material reaches a temperature below 100°C.

7. A method according to any of the previous claims, characterized in that said inert atmosphere is a nitrogen atmosphere.

8. The method as claimed in any one of the preceding claims, wherein the method further includes the step of placing the recovered metal material in a first transport container filled with an inert gas, wherein a plurality of such first transport containers are placed in a second transport container, the space in which around said first transport containers are in turn filled with inert gas.

9. The method according to any of the previous claims, characterized in that step c) further comprises, in the preheating step, supplying heat and hydrogen gas to the furnace space (120) for heating the charged metal material with the heated hydrogen gas to a temperature above the boiling point contained in metallic material of water, resulting in evaporation of said contained water.

10. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the hydrogen gas for supply in step c) is preheated in a heat exchanger (160), wherein the heat exchanger (160) is configured to transfer thermal energy from water vapor to hydrogen gas intended for supply to step c).

11. Method according to any of the previous claims, characterized in that the main heating step in step c) and condensation in step d) are carried out until a predetermined pressure is reached.

12. Method according to any one of paragraphs. 1-10, characterized in that the main heating step in step c) and condensation in step d) are carried out until a steady state is reached from the point of view of no further need to supply additional hydrogen gas to maintain the achieved steady-state gas pressure inside the space (120) ovens.

13. The method according to any of the previous claims, characterized in that the main heating step in step c) and condensation in step d) are carried out until a predetermined temperature of the loaded metal material to be reduced is reached.

14. Method according to any of the previous claims, characterized in that during step c) there is a downward net flow of water vapor through the loaded metal material.

15. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the method additionally includes the steps of:

e) after completing steps c) and d) cool the hydrogen atmosphere to a temperature not exceeding 100°C; And

f) after completion of step e) pumping out the hydrogen atmosphere from the furnace space (120) and collecting hydrogen gas from the pumped out hydrogen atmosphere.

16. Method according to any of the previous paragraphs, characterized in that steps c) and d) are performed for at least 0.25 hours.