способ и устройство для прямого восстановления железа с высокой производительностью

Формула изобретения

1. Способ прямого восстановления железа с высокой производительностью, в котором оксид железа восстанавливают до металлизованного железа путем контактирования с горячим восстановительным газом, включающий в себя обеспечение первого горячего восстановительного газа, содержащего СО и Н₂, обеспечение дополнительного восстановительного газа за счет реакции газообразного или жидкого углеводородного топлива с кислородом, смешивание упомянутого первого горячего восстановительного газа с упомянутым дополнительным восстановительным газом с образованием восстановительной газовой смеси, обогащение упомянутой восстановительной газовой смеси путем добавления газообразного или жидкого углеводорода с образованием обогащенной газовой смеси, инжектирование кислорода или обогащенного кислородом воздуха в упомянутую обогащенную газовую смесь и введение упомянутой обогащенной газовой смеси в присоединенную печь прямого восстановления в качестве упомянутого горячего восстановительного газа.

2. Способ по п.1, в котором упомянутое углеводородное топливо на стадии обеспечения дополнительного восстановительного газа выбирают из группы, состоящей из природного газа, сжиженного природного газа, метана, этана, бутана, пентана, пропана, нафты, нефтяного топлива или любой их смеси.

3. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя регулирование температуры упомянутой обогащенной газовой смеси, подаваемой в кольцевой распределитель печи прямого восстановления, посредством контроля температуры обогащенной газовой смеси, подаваемой в кольцевой распределитель печи прямого восстановления, и корректирования скорости инжекции кислорода.

4. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя регулирование отношения кислорода и топлива, подаваемых в топливно-кислородную горелку для обеспечения упомянутого дополнительного восстановительного газа.

5. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя контроль температуры упомянутой обогащенной газовой смеси и корректирование скорости добавления путем инжекции газообразного или жидкого углеводорода в ответ на нее.

6. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя контроль качества упомянутой обогащенной газовой смеси и корректирование скорости инжекции кислорода или обогащенного кислородом воздуха в ответ на него.

7. Устройство для прямого восстановления железа с высокой производительностью, в котором оксид железа восстанавливается до металлизованного железа путем контактирования с горячим восстановительным газом, содержащее печь прямого восстановления, средства для обеспечения первого горячего восстановительного газа, содержащего СО и H ₂, средства для реагирования газообразного или жидкого углеводородного топлива с кислородом с получением дополнительного восстановительного газа, средства для смешивания упомянутого первого горячего восстановительного газа с упомянутым дополнительным восстановительным газом с образованием восстановительной газовой смеси, средства для обогащения упомянутой восстановительной газовой смеси путем добавления газообразного или жидкого углеводорода с образованием обогащенной газовой смеси, средства для инжекции кислорода или обогащенного кислородом воздуха в упомянутую обогащенную газовую смесь и средства для введения упомянутой обогащенной газовой смеси в упомянутую печь прямого восстановления в качестве упомянутого горячего восстановительного газа.

8. Устройство по п.7, в котором упомянутая печь прямого восстановления представляет собой шахтную печь.

9. Устройство по п.7, в котором упомянутые средства для реагирования газообразного или жидкого углеводородного топлива с кислородом представляют собой топливно-кислородную горелку.

10. Устройство по п.9, которое дополнительно содержит средства, связанные с топливно-кислородной горелкой для регулирования отношения кислорода и топлива, подаваемых в топливно-кислородную горелку.

11. Устройство по п.7, которое дополнительно содержит средства для контроля температуры упомянутой обогащенной газовой смеси и корректирования скорости добавления путем инжекции газообразного или жидкого углеводорода в ответ на нее.

12. Устройство по п.7, которое дополнительно содержит средства для контроля качества упомянутой обогащенной газовой смеси и корректирования скорости инжекции кислорода или обогащенного кислородом воздуха в ответ на него.

Описание изобретения к патенту

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Данная заявка претендует на преимущества заявки №60/181945, поданной 11 февраля 2000 г., и является частичным продолжением находящейся на совместном рассмотрении заявки на патент США №09/456111, поданной 7 декабря 1999 г., которая является частичным продолжением заявки на патент США №08/924686, которая была подана 5 сентября 1997 г. и по которой в настоящее время выдан патент США №5997596, опубликованный 7 декабря 1999 г.

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для прямого восстановления железа с высокой производительностью, предназначенным для получения металлизованного железа или другого металла, а более конкретно - к устройству и способам для увеличения количества восстановителя в газе, подаваемом в кольцевой распределитель печи прямого восстановления, с одновременным регулированием оптимальной температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа и регулированием оптимальной температуры слоя шихты.

Предшествующий уровень техники

В процессе прямого восстановления Midrex восстановление оксидов железа до металлизованного железа осуществляют образованием в шахтной печи слоя железосодержащей шихты, такой как оксид железа в форме гранул или кусков, с последующим инжектированием в шихту нагретого восстановительного газа, обычно смеси водорода и монооксида углерода, в течение периода времени, достаточного для по существу полного восстановления оксидов до металлизованного железа. Восстановительный газ обычно инжектируют в шихту с использованием системы кольцевого распределителя труб и фурм.

Имеющаяся проблема состоит в том, как повысить производительность новых и существующих печей процесса прямого восстановления без увеличения емкости традиционного оборудования для восстановительного газа.

Решение указанной проблемы в данной области техники в настоящее время сосредоточено на четырех направлениях:

1) введение обогатительной добавки - для риформинга in situ в восстановительной печи;

2) инжекция кислорода для повышения температуры слоя в печи с целью повышения использования восстановителя;

3) введение высокообогатительной добавки и инжекция кислорода - главным образом для риформинга in situ в восстановительной печи;

4) использование топливно-кислородных горелок для генерирования восстановителя за пределами печи.

Каждое из указанных решений содержит недостатки, представленные ниже.

1. Введение обогатительной добавки. В поток подаваемого в кольцевой распределитель газа добавляется углеводородное топливо (такое как природный газ, метан, этан, бутан, пропан, нафта). Для предотвращения метанирования содержание метана в подаваемом в кольцевой распределитель газе можно контролировать. Метан в данном случае представляет собой химическое сырье для риформинга in situ в печи, поэтому за счет получения большего количества восстановителя повышается производительность. Однако риформинг in situ потребляет тепло, поэтому высокие количества обогатительной добавки уменьшают температуры слоя в печи. Пониженные температуры слоя приводят к меньшему использованию восстановителя и к замедлению кинетики реакций восстановления. Если температуры слоя становятся слишком низкими, тогда химическое равновесие будет благоприятствовать реакциям науглерожирования: 2СО[С]+СО ₂ и СО+H₂[С]+Н ₂О, которые потребляют часть восстановителя и в результате которых образуются окислители.

2. Для поддержания температуры слоя примерно 900°С, которая чуть ниже температуры кластерообразования шихтового материала, на многих заводах в процессе прямого восстановления в настоящее время используют инжекцию кислорода, обычно при низких уровнях метана в подаваемом в кольцевой распределитель газе (примерно 2,5%). Для баланса температур слоя может быть использовано небольшое количество обогатительной добавки. Высокие температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа обеспечивают возможность повышения температур в слое печи до максимальной величины. Повышенные температуры слоя ускоряют кинетику реакций восстановления, увеличивают использование восстановителя и дают более высокую производительность печи. В результате добавления обогатительной добавки может происходить в небольшой степени риформинг in situ. Однако все оборудование, начиная со средств для инжекции кислорода и заканчивая печью, подвергается повышенным температурам, при этом повышается вероятность кластерообразования шихты, а также возрастают требования к оборудованию. Инжекцию кислорода ограничивают, когда температура подаваемого в кольцевой распределитель газа или температура слоя в печи являются достаточно высокими для того, чтобы вызвать кластерообразование материала в печи. Большая часть инжектированного кислорода сгорает с уже присутствующим в газовом потоке Н₂ и СО, что приводит к повышенным температурам, но к меньшему содержанию восстановителя и худшему качеству (поскольку получаются Н ₂О и CO₂). Вкратце, имеющиеся в настоящее время системы инжекции кислорода позволяют изменять скорость подачи кислородного потока для регулирования температуры, а некоторые системы изменяют скорость подачи природного газа для регулирования уровней метана без возможности повышения количества генерированного восстановителя или качества газового потока. Качество восстановительного газа определяется отношением восстановителей (H₂+CO) к окислителям (СО₂+Н₂О), причем чем выше качество, тем лучше. Типичное значение отношения восстановителей к окислителям составляет примерно 12 к 1, при этом отношение Н₂/СО составляет 1,5 к 1.

3. Введение высокообогатительной добавки и инжекция кислорода. Когда используется комбинация инжекции кислорода и введения высокообогатительной добавки, то температуры слоя в печи до максимума не повышаются. Работа при высоком содержании метана в подаваемом в кольцевой распределитель газе (примерно 6%) обеспечивает максимальный риформинг in situ в восстановительной печи, вследствие чего температуры в слое печи находятся в диапазоне от 800 до 820°С. Производительность повышается, главным образом, за счет риформинга in situ. Небольшое повышение производительности может быть реализовано за счет небольших увеличений температур слоя вследствие повышенного использования и усовершенствованной кинетики реакций восстановления. К сожалению, степень, до которой могут быть инжектированы чистый кислород и природный газ, ограничена высокими температурами подаваемого в кольцевой распределитель газа, которые могут вызвать кластерообразование около дырочных плиток, то есть в том месте, в котором подаваемый газ поступает в печь. Если температура слоя в печи является низкой, тогда остаточное содержание восстановителя в колошниковом газе после протекания реакций восстановления будет выше и остаточное содержание метана в колошниковом газе после протекания реакций риформинга in situ будет также выше, что приведет к получению колошникового газа с повышенной теплотворной способностью. Когда повышенная теплотворная способность превышает количество тепла, необходимое для процесса восстановления, генерируется топливо, подлежащее удалению. В результате в процессе прямого восстановления возрастает расход природного газа и не обеспечиваются какие-либо преимущества, кроме образования топлива, подлежащего удалению.

4. Топливно-кислородные горелки в установках для прямого восстановления (DR) не используются. Топливно-кислородные горелки обладают способностью генерировать восстановительный газ за пределами восстановительной печи без значительного увеличения температур, подаваемого в кольцевой распределитель газа. Генерированный восстановитель имеет более высокое качество, чем то, которое может быть достигнуто, если те же количества кислорода и природного газа добавляют через типичную систему, использующую инжекцию кислорода + введение обогатительной добавки. Однако топливно-кислородные горелки могут не обладать способностью продуцировать восстановительный газ с требуемой температурой для подаваемого в кольцевой распределитель газа. Восстановительный газ, генерируемый топливно-кислородными горелками, не будет иметь избыточного тепла, необходимого для поддержания высоких температур в слое печи. Для того чтобы топливно-кислородные горелки давали высококачественный восстановительный газ, отношение кислорода к топливу должно регулироваться в определенных пределах. Такое отношение препятствует необходимому повышению топливно-кислородными горелками температуры газа, подаваемого в кольцевой распределитель. Если топливно-кислородная горелка работает при отношении кислород/топливо, которое является слишком высоким, тогда горелка может быть разрушена за счет высоких температур. И наоборот, если горелка работает при отношении кислород/топливо, которое является слишком низким, то может образовываться углерод, который будет забивать горелку. Возможно, что для повышения температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа может быть использовано большее число топливно-кислородных горелок, но при этом предотвращается работа установки с горелками, дающими низкие количества дополнительного восстановительного газа при высоких температурах в слое печи. Конечно, потребность в большем количестве топливно-кислородных горелок, предназначенных для повышения температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа, будет также приводить к большим капитальным затратам.

Родственная ссылка предшествующего уровня

Процесс прямого восстановления Midrex раскрыт в патентах США №№3748120 и 3749386 на имя Беггса (Beggs).

Сущность изобретения

Данное изобретение предусматривает способ прямого восстановления железа с высокой производительностью, в котором оксид железа восстанавливают до металлизованного железа путем контактирования с горячим восстановительным газом, включающий в себя обеспечение первого горячего восстановительного газа, содержащего СО и Н₂, обеспечение дополнительного восстановительного газа за счет реакции газообразного или жидкого углеводородного топлива с кислородом, смешивание упомянутого первого горячего восстановительного газа с упомянутым дополнительным восстановительным газом с образованием восстановительной газовой смеси, обогащение упомянутой восстановительной газовой смеси путем добавления газообразного или жидкого углеводорода с образованием обогащенной газовой смеси, инжектирование кислорода или обогащенного кислородом воздуха в упомянутую обогащенную газовую смесь, и введение упомянутой обогащенной газовой смеси в присоединенную печь прямого восстановления в качестве упомянутого горячего восстановительного газа.

Данное изобретение предусматривает также устройство для прямого восстановления железа с высокой производительностью, в котором оксид железа восстанавливается до металлизованного железа путем контактирования с горячим восстановительным газом, содержащее печь прямого восстановления, средства для обеспечения первого горячего восстановительного газа, содержащего СО и Н ₂, средства для реагирования газообразного или жидкого углеводородного топлива с кислородом с получением дополнительного восстановительного газа, средства для смешивания упомянутого первого горячего восстановительного газа с упомянутым дополнительным восстановительным газом с образованием восстановительной газовой смеси, средства для обогащения упомянутой восстановительной газовой смеси путем добавления газообразного или жидкого углеводорода с образованием обогащенной газовой смеси, средства для инжекции кислорода или обогащенного кислородом воздуха в упомянутую обогащенную газовую смесь и средства для введения упомянутой обогащенной газовой смеси в упомянутую печь прямого восстановления в качестве упомянутого горячего восстановительного газа.

Задачи изобретения

Основная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить усовершенствованный способ увеличения количества восстановителя в газе, подаваемом в кольцевой распределитель печи прямого восстановления, с одновременным регулированием оптимальной температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа и регулированием оптимальной температуры слоя.

Дополнительная задача изобретения заключается в том, чтобы предоставить устройство для осуществления вышеуказанного способа.

Другая задача изобретения заключается в том, чтобы повысить производительность печи прямого восстановления без повышения емкости или размера традиционного оборудования для восстановительного газа.

Краткое описание чертежа

Вышеуказанные и другие задачи будут более очевидны со ссылкой на следующее подробное описание и чертеж, который представляет собой технологическую схему предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Подробное описание

Для повышения производительности новых и существующих печей прямого восстановления без повышения емкости традиционного оборудования для восстановительного газа в настоящем изобретении используют топливно-кислородные горелки, введение обогатительной газовой добавки и инжекцию кислорода. Данный способ максимально повышает риформинг in situ при одновременной максимизации кинетики восстановления.

Регулирование оптимальной температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа до значения более 900°С обеспечивает тепло, необходимое для риформинга in situ, и максимально повышает количество восстановительного газа в печи. Регулирование оптимальной температуры слоя до значения более 850°С ускоряет кинетику реакций, увеличивает использование восстановителя, обеспечивает тепло, которое может быть использовано для крекинга углеводородов в нижнем конусе печи и уменьшает генерацию подлежащего удалению топлива.

Как следует из чертежа, печь прямого восстановления, такая как шахтная печь 10, имеет систему 12 кольцевого распределителя и фурм, сообщающуюся с трубопроводом 14 для восстановительного газа. Горячий восстановительный газ из источника 16 подают в указанный трубопровод. Сообщающимися с трубопроводом 14 выполнены одна или большее количество топливно-кислородных горелок 20. Каждая горелка питается из источника 22 природным газом или другим углеводородным топливом, таким как метан, этан, бутан, пропан, нафта (тяжелый бензин) или смесь из любых указанных типов топлива. Кислород подают в горелку из источника 24 кислорода.

Для генерации восстановительного газа может быть использовано множество топливно-кислородных горелок 20. Размер и количество указанных горелок будут изменяться в зависимости от поставщика и требований/ограничений, предъявляемых к установке. Отношение кислород/топливо для горелок регулируют таким образом, чтобы генерировался высококачественный восстановительный газ. Топливно-кислородные горелки пополняют поток восстановительного газа, подаваемого в печь прямого восстановления. Отношение кислород/топливо можно регулировать с целью максимального повышения качества сгенерированного восстановительного газа, т.е. [(Н₂+СО)/(H₂ O+CO₂)]. Топливно-кислородная горелка может работать при оптимальном отношении для максимального повышения качества без превышения пределов температуры горелки. Поток поступает при требуемом соотношении в регулятор 26, который регулирует количество кислорода, протекающего через клапан 28 в горелку 20, и количество углеводородного газа, протекающего через клапан 30 в горелку.

Добавление обогатительного углеводородного газа осуществляют инжекцией природного газа или других углеводородов, таких как метан, этан, бутан, пропан, нафта или смесь углеводородов, из источника 38 в трубопровод 14, размещенный перед кольцевым распределителем 12. Обогатительный поток контролируют путем анализа содержания метана в подаваемом газе с помощью газоанализатора 40, размещенного по соседству с кольцевым распределителем 12. Анализатор 40 сообщается с регулятором 42 потока углеводорода, работа которого косвенно регулирует температуру слоя в печи. Обогатительная добавка обеспечивает возможность независимого и точного регулирования и оптимизации температур в слое печи. Обогатительный поток регулируют таким образом, чтобы получить повышенные температуры слоя с целью обеспечения повышенного использования восстановительного газа и пониженной генерации подлежащего удалению топлива. Повышенные температуры слоя могут быть использованы в нижнем конусе печи для добавления полученного углерода и генерирования дополнительного количества восстановителя в печи. Обогатительная добавка может быть предварительно нагрета, или же предварительный нагрев может быть исключен.

Инжекция кислорода регулирует температуру подаваемого в кольцевой распределитель газа. Кислород может быть инжектирован в трубопровод 14 для восстановительного газа через единственную трубу 48 или через многосопловое устройство. Для инжекции кислорода могут быть также использованы другие более сложные системы, такие как оптимизированная система инжекции кислорода, которая объединяет введение обогатительной добавки и инжекцию кислорода в одном устройстве. Контрольно-измерительный прибор 50 для измерения температуры сообщается с трубопроводом 14 для восстановительного газа и контролирует работу регулятора 52 кислородного потока для оптимизации температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа.

Инжекция кислорода обеспечивает возможность независимого и точного регулирования и оптимизации температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа. Температуру подаваемого в кольцевой распределитель газа устанавливают настолько высокой, насколько это возможно, но при этом такая температура не должна вызывать кластерообразование около дырочных плиток. Повышенные температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа обеспечивают энергию, необходимую для риформинга in situ, что приводит к получению печного газа более высокого качества. Высокие температуры также обеспечивают энергию, необходимую для поддержания высоких температур слоя.

В заявленном способе любое из типов топлива или кислород могут быть холодными или предварительно нагретыми. Последовательность инжекции кислорода и введения обогатительной добавки может быть, по желанию, изменена на обратную.

Оптимальная производительность достигается при максимальном повышении температуры восстановления шихты и качества восстановительного газа, поступающего в шахтную печь. Указанные два фактора являются ключевыми для оптимизации производительности любой печи прямого восстановления и связанного с ней оборудования для генерирования газа. За счет использования инжекции кислорода и топливно-кислородных горелок, как показано на чертеже, а также за счет поддержания природного газа в потоке восстановительного газа можно независимо регулировать температуру шихты в шахтной печи и температуру восстановительного газа. Это позволяет оператору максимально повысить производительность шахтной печи за счет максимального использования в печи восстановительных газов.

Выводы о достижении задач изобретения

Из вышеизложенного очевидно, что заявитель изобрел усовершенствованный способ и устройство для увеличения количества восстановителя в подаваемом в кольцевой распределитель газе, печи прямого восстановления, с одновременным регулированием оптимальной температуры подаваемого в кольцевой распределитель газа и регулированием оптимальной температуры слоя.

Понятно, что представленное выше описание и конкретные варианты приведены только с целью иллюстрации наилучшего варианта осуществления изобретения и его идей, и что специалистами в данной области могут быть сделаны различные модификации и добавления в отношении устройства без отклонения от сущности и объема изобретения, которые, как понятно, ограничены только объемом приложенной формулы изобретения.