УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО ЧУГУНА
INSTALLATION FOR PRODUCTION OF MELT IRON

Данное изобретение относится к установке для получения расплавленного чугуна с использованием порошкообразной руды в способе восстановительной плавки. Эта установка позволяет ограничить явления, при которых порошкообразная руда скапливается в реакторе восстановления с псевдоожиженным слоем между нижней его частью и внутренней стенкой с образованием застойных слоев, что нарушает поток газа и снижает эффективность реакции.
Железо- и сталеплавильная промышленность представляет собой основополагающую отрасль промышленности, которая поставляет основные материалы, необходимые при конструировании и изготовлении автомобилей, судов, бытовых приборов и многих других изделий, которые мы используем. Она также представляет собой отрасль промышленности с одной из наиболее продолжительных историй, которая развивалась вместе с человечеством. На сталелитейных заводах, которые играют кардинальную роль в промышленности, производящей железо и сталь, после получения расплавленного чугуна, представляющего собой передельный чугун в расплавленном состоянии, с использованием в качестве сырья железной руды и угля, получают сталь, которую затем направляют заказчикам.
В настоящее время примерно 60% мирового производства чугуна осуществляют с использованием доменного способа, разрабатываемого с четырнадцатого века. В доменном способе в доменную печь загружают кокс, полученный с использованием битуминозного угля, и железную руду, которую подверти процессу агломерации, и в эту доменную печь подают горячий газ, чтобы восстановить железную руду до железа и тем самым получить расплавленный чугун.
Для доменного способа, который является наиболее популярным на предприятиях для получения расплавленного чугуна, требуется, чтобы сырье обладало прочностью, по меньшей мере на предварительно установленном уровне, и имело размер гранул, который может обеспечить проницаемость в печи, принимая во внимание параметры реакции. Из этих соображений в качестве источника углерода, который применяют в качестве топлива и восстанавливающего агента, необходим кокс, который получают путем обработки конкретных исходных углей. Кроме того, в качестве источника железа необходим агломерат руды, который прошел через процесс последовательной обработки с агломерацией.
Соответственно, современный доменный способ требует оборудования для предварительной обработки сырья, такого как оборудование для изготовления кокса и оборудование для агломерации. А именно, в дополнение к доменной печи необходимо иметь вспомогательное оборудование, а также оборудование для предотвращения и сведения к минимуму вредных выбросов, выделяемых этим вспомогательным оборудованием. Следовательно, значительные затраты на эти дополнительные устройства и оборудование приводят к увеличению стоимости производства.
Для того чтобы решить вышеупомянутые проблемы доменного способа, во многих странах был разработан и исследован способ восстановительной плавки. В этом способе восстановительной плавки расплавленный чугун получают в плавильной печи-газификаторе путем непосредственного использования а качестве топлива и агента-восстановителя необработанного угля, а в качестве источника железа - порошкообразной руды, которая составляет до 80% или выше от мирового производства руды.
При восстановительной плавке в качестве основного направления рассматривают двухстадийный способ восстановления, состоящий из предварительного восстановления и окончательного восстановления. Обычный аппарат для получения расплавленного чугуна состоит из реактора восстановления с псевдоожиженным слоем, в котором получают барботажные псевдоожиженные слои, и плавильной печи-газификатора, соединенной с этим реактором восстановления с псевдоожиженным слоем, в которой формируют плотные слои угля. Порошкообразную руду и добавки загружают в реактор с псевдоожиженным слоем при комнатной температуре и предварительно восстанавливают.
Так как в реакторы с псевдоожиженным слоем подают горячий восстановительный газ, то температура железной руды и добавок при контакте с этим горячим восстановительным газом возрастает. Одновременно 90% или более железной руды и добавок восстанавливаются, и 30% или более их пластифицируются, и их загружают в плавильную печь-газификатор.
Между тем, в процессе восстановления в псевдоожиженном слое порошкообразная руда, загруженная в реактор восстановления с псевдоожиженным слоем, проходит через процесс увеличения и снижения высоты посредством восстанавливающего газа, подаваемого из плавильной печи-газификатора. Порошкообразная руда поднимается до некоторого уровня, в зависимости от таких ее свойств, как размер частиц, плотность и т.д. Кроме того, обычно порошкообразная руда снова падает вдоль внутренней стенки реактора восстановления в псевдоожиженном слое, где существуют незначительные газовые потоки.
Однако, если поток газа в реакторе сформирован неоднородно в силу различных причин, таких как неожиданное изменение потока газа в ходе работы, падающая порошкообразная руда может не подняться вновь, и она может скапливаться между нижней частью и внутренней стенкой реактора восстановления в псевдоожиженном слое, образуя слой.
Как описано выше, слой, сформированный между нижней частью и внутренней стенкой реактора восстановления в псевдоожиженном слое, называют застойным слоем. В частности, если нестабильность рабочего режима продолжается или воздействие флуктуации потока газа слишком велико, образующая застойный слой порошкообразная руда не может вновь подняться. Таким образом, застойные слои нарушают поток порошкообразной руды и газа в реакторе восстановления с псевдоожиженным слоем.
Как описано выше, ненормальный поток порошкообразной руды и газа, обусловленный застойными слоями, позволяет застойным слоям расти еще более. Он также приводит к порочному кругу, в котором поток порошкообразной руды и газа нарушается в еще большей степени. Таким образом, серьезно нарушается нормальная работа реактора восстановления с псевдоожиженным слоем.
Данное изобретение обеспечивает установку для получения расплавленного чугуна, в которой можно сдерживать ненормальное формирование застойных слоев порошкообразной руды в процессе восстановительной плавки.
Установка для получения расплавленного чугуна в соответствии с одним из примеров реализации по данному изобретению включает: 1) по меньшей мере один реактор восстановления с псевдоожиженным слоем, в котором превращают железную руду в восстановленные материалы путем восстановления и пластификации железной руды, 2) плавильную печь-газификатор, в которую загружают эти восстановленные материалы и подают кислород таким образом, что в плавильной печи-газификаторе получают расплавленный чугун, и 3) линию подачи восстановительного газа, по которой направляют восстановительный газ, получаемый в плавильной печи-газификаторе, в реактор восстановления с псевдоожиженным слоем. Реактор восстановления с псевдоожиженным слоем включает газовый инжектор, через который подают газ в реактор восстановления с псевдоожиженным слоем для удаления застойных слоев.
С помощью газового инжектора можно подавать газ в двух или более направлениях, которые отличаются друг от друга.
Газовый инжектор может включать: 1) линию подачи газа, по которой подают газ в реактор восстановления, и 2) ряд распределительных форсунок, соединенных с линией подачи газа, по которым подают газ в направлениях, отличных друг от друга.
Кроме того, газовый инжектор может включать: 1) первую распределительную форсунку, которая организована перпендикулярно к линии подачи газа, 2) вторую распределительную форсунку, которая организована перпендикулярно к линии подачи газа и к первой распределительной форсунке, и 3) третью распределительную форсунку, которая организована перпендикулярно к линии подачи газа и ко второй распределительной форсунке.
Газовый инжектор может включать направленную вниз распределительную форсунку, которая наклонена в направлении, проходящем от линии подачи газа к нижней части реактора восстановления с псевдоожиженным слоем.
Реактор восстановления с псевдоожиженным слоем может включать распределительную пластину, через которую проходит восстановительный газ, причем распределительная пластина распределяет этот восстановительный газ. Газовый инжектор может быть расположен над этой распределительной пластиной.
Кроме того, газовые инжекторы могут быть расположены на некотором предварительно установленном расстоянии друг от друга и окружать реактор восстановления с псевдоожиженным слоем.
Реактор восстановления с псевдоожиженным слоем может включать:
1) канал для загрузки порошкообразной руды, посредством которого в реактор загружают порошкообразную руду, при этом канал для загрузки порошкообразной руды располагают на одной стороне реактора восстановления с псевдоожиженным слоем, и 2) канал для выгрузки порошкообразной руды, посредством которого из реактора выгружают порошкообразную руду, при этом канал для выгрузки порошкообразной руды располагают на другой стороне реактора восстановления с псевдоожиженным слоем. Газовый инжектор может включать: 1) ряд первых газовых инжекторов, которые расположены над распределительной пластиной для удаления застойных слоев, образованных в нижней части реактора восстановления с псевдоожиженным слоем, 2) ряд вторых газовых инжекторов, которые расположены над первыми газовыми инжекторами и ниже канала для загрузки порошкообразной руды, обеспечивающих равномерную загрузку порошкообразной руды, и 3) ряд третьих газовых инжекторов, которые расположены над вторыми газовыми инжекторами и ниже канала для выгрузки порошкообразной руды, и с помощью которых распределяют порошкообразную руду.
Кроме того, реактор восстановления с псевдоожиженным слоем может дополнительно включать по меньшей мере один циклон, в который собирают мелкие частицы руды, и вторые газовые инжекторы могут быть установлены по существу на той же высоте, что и местоположение нижнего конечного участка циклона.
Кроме того, газ может включать по меньшей мере один газ, выбранный из группы, состоящей из азота, восстановительного газа и остаточного газа, который образуется в установке для получения чугуна.
В установке для получения расплавленного чугуна по одному из примеров реализации данного изобретения ограничено образование застойных слоев в реакторе восстановления с псевдоожиженным слоем в ходе восстановления в псевдоожиженном слое, при использовании порошкообразной руды. Соответственно, можно поддерживать однородным псевдоожиженный слой порошкообразной руды и газа.
Кроме того, порошкообразную руду можно равномерно загружать в реактор восстановления с псевдоожиженным слоем, а порошкообразную руду, которую выгружают из циклона, можно эффективно распределять.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение установки для получения расплавленного чугуна по одному из примеров реализации данного изобретения.
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение реактора восстановления с псевдоожиженным слоем, согласно одному из примеров реализации данного изобретения.
Фиг.3 и 4 представляют собой частичные аксонометрические виды газовых инжекторов по одному из примеров реализации данного изобретения.
Фиг.5 представляет собой график, изображающий изменения температур в ходе работы реактора восстановления с псевдоожиженным слоем в соответствии с экспериментальным примером и сравнительным примером данного изобретения.
Ниже разъяснены примеры реализации данного изобретения со ссылкой на Фиг.1-5. Эти примеры реализации приведены просто для того, чтобы проиллюстрировать данное изобретение, и данное изобретение не ограничено ими.
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение установки 100 для получения расплавленного чугуна в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения. Установка 100 для получения расплавленного чугуна, проиллюстрированная на Фиг.1, приведена просто для того, чтобы проиллюстрировать данное изобретение, и данное изобретение не ограничено ею. Следовательно, установку 100 для получения расплавленного чугуна можно модифицировать в другие конфигурации.
Как показано на Фиг.1, установка 100 для получения расплавленного чугуна в основном включает реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, плавильную печь-газификатор 30 и линию 40 подачи восстановительного газа.
Кроме того, установка 100 для получения расплавленного чугуна может дополнительно включать установку 50 для получения уплотненного железа, соединяющую реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем с плавильной печью-газификатором 30, устройство 60 для выравнивания давления в горячем состоянии и бункер 61 для хранения. Установка 100 для получения расплавленного чугуна может включать и другие устройства для получения расплавленного чугуна.
Псевдоожиженный слой формируют в реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем. Реакторы 10 восстановления с псевдоожиженным слоем последовательно соединены друг с другом для превращения порошкообразной руды псевдоожиженного слоя в восстановленные материалы путем восстановления этой порошкообразной руды. Каждый из реакторов 10 восстановления с псевдоожиженным слоем снабжают восстановительным газом, выходящим из плотного слоя угля плавильной печи-газификатора 30 по линии 40 подачи восстановительного газа. В реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем проходящая через него железная руда превращается в восстановленные материалы. Восстановительный газ вводят в реакторы 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, и он протекает через них.
Между тем, можно обеспечить ряд реакторов восстановления с псевдоожиженным слоем. Например, Фиг.1 изображает реакторы восстановления с псевдоожиженным слоем, включающие восстановительную печь 10а предварительного нагрева, первую печь 10b предварительного восстановления, вторую печь 10c предварительного восстановления и печь 10d окончательного восстановления.
На установке 50 для получения уплотненного железа уплотняют восстановленные материалы, чтобы обеспечить вентиляцию плавильной печи-газификатора 30. Установка 50 для получения уплотненного железа включает загрузочный бункер 52, пару валков 54, дробилку 56 и бункер 58 для хранения восстановленных материалов. Установка 50 для изготовления уплотненного железа может включать и другие устройства, если это необходимо.
В загрузочном бункере 52 хранят восстановленные материалы, которые восстановлены из смеси, содержащей железо. На паре валков 54 получают уплотненные восстановленные материалы путем прессования этих восстановленных материалов. В дробилке 56 измельчают восстановленные материалы до соответствующего размера. В бункере 58 для хранения восстановленных материалов временно хранят измельченные восстановленные материалы.
Устройство 60 для выравнивания давления в горячем состоянии расположено между установкой 50 для изготовления уплотненного железа и плавильной печью-газификатором 30. Устройство 60 для выравнивания давления в горячем состоянии располагают выше плавильной печи-газификатора 30 для того, чтобы регулировать давление в ней. Так как в плавильной печи-газификаторе 30 образуется высокое давление, устройство 60 для выравнивания давления в горячем состоянии позволяет легко загрузить восстановленные, измельченные материалы в плавильную печь-газификатор 30, регулируя давление так, чтобы оно было одинаковым. В бункере 61 для хранения временно хранит восстановленные материалы.
Плотный слой угля в плавильной печи-газификаторе 30 формируют, подавая кусковые углеродсодержащие материалы, например кусковой уголь или угольные брикеты, которые сформированы из мелкого угля. Кусковые углеродсодержащие материалы, которые подают в плавильную печь-газификатор 30, газифицируют посредством реакции пиролиза в верхней части плотного слоя угля и реакции сжигания в нижней части плотного слоя угля с использованием кислорода. Горячий восстановительный газ, генерируемый в плавильной печи-газификаторе 30 в ходе реакции газификации, обычно подают в реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем по линии 40 подачи восстановительного газа, которая соединена с концом печи 10d окончательного восстановления. Горячий восстановительный газ используют в качестве восстанавливающего агента и псевдоожижающего газа.
Реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, включенный в установку 100 для получения расплавленного чугуна в соответствии с примером реализации по данному изобретению, далее описан подробно. Фиг.2 представляет собой увеличенный вид сечения реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, изображенного на Фиг.1.
Как показано на Фиг.2, канал 12 для загрузки порошкообразной руды, соединенный с каналом выгрузки порошкообразной руды (не показан) печи для восстановления (не показана), которая расположена в непосредственной близости от реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, сформирован на стороне реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, так, чтобы загружать порошкообразную руду в канал 12 для загрузки порошкообразной руды.
Кроме того, на другой стороне реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем сформирован канал 14 для выгрузки порошкообразной руды, соединенный с каналом для загрузки порошкообразной руды (не показан) другого реактора восстановления с псевдоожиженным слоем (не показан), который расположен в непосредственной близости от реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, так, чтобы загружать эту порошкообразную руду в другую восстановительную печь 10.
Кроме того, в нижней части внутреннего объема реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем организована распределительная пластина 16, так, чтобы создать в этом реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем однородный поток газа и порошкообразной руды.
Между тем, выше этой распределительной пластины 16 установлен ряд газовых инжекторов 18a, 18b и 18c.
В примере реализации данного изобретения газовые инжекторы 18а, 18b и 18с включают первые газовые инжекторы 18а, вторые газовые инжекторы 18b и третьи газовые инжекторы 18с. Первые газовые инжекторы 18а расположены в нижней части реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, то есть непосредственно над распределительной пластиной 16. Вторые газовые инжекторы 18b расположены вокруг канала 12 для загрузки порошкообразной руды, то есть непосредственно под каналом 12 для загрузки порошкообразной руды. Третьи газовые инжекторы 18с расположены вокруг канала 14 для выгрузки порошкообразной руды, то есть непосредственно под каналом 14 для выгрузки порошкообразной руды.
Газовые инжекторы 18а, 18b и 18с можно установить таким образом, чтобы расстояния между соответствующими газовыми инжекторами 18а, 18b и 18 с были малыми в области, где сконцентрированы направленные вниз потоки порошкообразной руды, и чтобы эти расстояния были значительными в области, в которой направленные вниз потоки являются слабыми.
В окружностях на Фиг.2 показаны, соответственно, увеличенные виды сверху каждого ряда газовых инжекторов 18а, 18b и 18с, которые расположены так, чтобы окружать реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем. Как показано в этих увеличенных окружностях на Фиг.2, первые газовые инжекторы находятся друг от друга на определенном расстоянии и окружают реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем выше распределительной пластины 16. В реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем обеспечено двенадцать первых газовых инжекторов 18а на высоте, которая обозначена на Фиг.2 пунктирной линией.
Первые газовые инжекторы 18а расположены на высоте, где в реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем наиболее часто образуются застойные слои, чтобы устранить эти застойные слои и избежать повторного образования застойных слоев.
Кроме того, вторые газовые инжекторы 18b находятся друг от друга на одинаковом расстоянии и окружают реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем ниже канала 12 для загрузки порошкообразной руды. В реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем по данному примеру реализации обеспечены три вторых газовых инжектора 18b на высоте, которая обозначена на Фиг.2 пунктирной линией. С помощью вторых газовых инжекторов 18b вводят газ в реактор 10 с псевдоожиженным слоем вблизи от канала 12 для загрузки порошкообразной руды, для обеспечения равномерной загрузки порошкообразной руды.
Кроме того, третьи газовые инжекторы 18с находятся друг от друга на одинаковом расстоянии и окружают реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем ниже канала 14 для выгрузки порошкообразной руды. В реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем в соответствии с примером реализации данного изобретения обеспечены четыре третьих газовых инжектора 18с на высоте, которая указана на Фиг.2 пунктирной линией. Вторые газовые инжекторы 18b расположены по существу на той же высоте, что и местоположение нижней части циклона 19, обеспеченного в реакторе 10 восстановления с псевдоожиженным слоем для равномерного распределения порошкообразной руды, выгружаемой из циклона 19. То есть вторые газовые инжекторы 18b расположены на такой же высоте, что и местоположение нижней части циклона 19, или на высоте, близкой к местоположению нижней части циклона 19. Способ расположения и количество газовых инжекторов 18а, 18b и 18с не ограничены вышеописанным примером реализации, и их можно изменить в зависимости от различных условий.
Формы газовых инжекторов 18а, 18b и 18с будут подробно разъяснены ниже со ссылкой на чертежи. Фиг.3 и 4 изображают газовые инжекторы в соответствии с первым и вторым кодифицированными примерами реализации данного изобретения, соответственно.
Конструкция описанных здесь газовых инжекторов приведена просто для иллюстрации данного изобретения, и данное изобретение не ограничено ею. Поскольку специалисты легко могут представить себе подробную организацию устройств для ввода газа, кроме инжекторов, подробное описание устройств для ввода газа будет здесь опущено.
Как показано на Фиг.3 и 4, устройство для ввода газа по примеру реализации организовано для ввода газа в двух или более направлениях, которые отличаются друг от друга. Таким образом, застойные слои в нижней части реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем удаляют более эффективно посредством газа, впрыскиваемого в каждом направлении, порошкообразную руду загружают более равномерно, и порошкообразную руду можно распределить более эффективно.
Более конкретно, как показано на Фиг.3, устройство для ввода газа в соответствии с первым модифицированным примером реализации включает линию 180 подачи газа, по которой подают газ в реактор 10 восстановления с псевдоожиженным слоем, а также первую, вторую и третью распределительные форсунки 182, 184 и 186, которые идут от линии 180 подачи газа. В этом случае распределительные форсунки 182, 184 и 186 организованы перпендикулярно друг другу, чтобы вводить газ на большей площади.
Между тем, как показано на Фиг.4, устройство для ввода газа в соответствии со вторым модифицированным примером реализации включает направленную вниз распределительную форсунку 188, идущую от линии 180 подачи газа в направлении сверху вниз. Газ из этой направленной вниз распределительной форсунки 188 вводят в падающую сверху порошкообразную руду таким образом, чтобы порошкообразная руда не скапливалась в нижней части реактора 10 восстановления с псевдоожиженным слоем. Таким образом более эффективно предотвращают образование застойных слоев.
Между тем, в вышеописанном устройстве для ввода газа можно использовать один или более газов, включающих азот, восстановительный газ, применяемый в процессе восстановления в псевдоожиженном слое, и остаточный газ, образующийся в установке для получения расплавленного чугуна, и так далее, посредством их рециркуляции и смешивания.
Далее приведен экспериментальный пример для подтверждения эффекта, ограничивающего образование внутренних застойных слоев. Этот экспериментальный пример приведен исключительно для иллюстрации данного изобретения, и данное изобретение им не ограничено.
Экспериментальный пример
В экспериментальном примере всего было установлено двадцать три газовых инжектора. То есть шестнадцать газовых инжекторов были установлены на высоте 350 мм выше распределительной пластины, три газовых инжектора были установлены на высоте 1100 мм над ними, и четыре газовых инжектора были установлены на высоте 1400 мм над ними. В ходе работы реактора восстановления с псевдоожиженным слоем измеряли температуру. Кроме того, в качестве сравнительного примера измеряли температуру в реакторе восстановления с псевдоожиженным слоем, в котором не были установлены газовые инжекторы.
Фиг.5 показывает результаты измерений изменения температуры в экспериментальном примере и в сравнительном примере, соответственно. Из чертежа видно, что температура реактора восстановления с псевдоожиженным слоем в соответствии с экспериментальным примером возрастает с постоянной скоростью по ходу его работы, затем ее поддерживают на постоянном уровне, и она снижается с постоянной скоростью по мере окончания работы.
С другой стороны, в сравнительном примере температура возрастает с постоянной скоростью в ходе начальной работы, как и в экспериментальном примере, но по истечении установленного времени температура постепенно падает ниже температуры экспериментального примера до того, как работа будет завершена, так что существует разность температур. После того, как работа завершена, температура падает. Однако по истечении некоторого времени температура возрастает выше температуры реактора восстановления с псевдоожиженным слоем из экспериментального примера.
То есть в случае экспериментального примера, в котором установлены газовые инжекторы, застойные слои при работе не образуются, так что псевдоожиженный слой порошкообразной руды и газа поддерживают в однородном состоянии. Таким образом, практически отсутствует разность температур, зависящая от расположения. С другой стороны, в случае сравнительного примера, псевдоожиженный слой порошкообразной руды и газа становится неоднородным из-за образования застойных слоев. Таким образом, возникает разность температур, зависящая от расположения, и после завершения работы сравнительный пример показывает более высокую температуру, чем температура экспериментального примера, из-за эффекта сохранения тепла застойными слоями.
Из вышеописанных результатов можно утверждать, что при введении газа из газовых инжекторов, установленных в реакторе восстановления с псевдоожиженным слоем, образование застойных слоев ограничивается.
Хотя пример реализации данного изобретения был подробно описан выше, следует ясно понимать, что объем данного изобретения, изложенный в прилагаемой Формуле изобретения, включает многие изменения и/или модификации изложенной здесь основной концепции изобретения.