СИСТЕМА И СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОНЦЕНТРАТА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ
SYSTEM AND METHOD OF DIRECT REDUCTION OF IRON ORE CONCENTRATE IN FLUIDIZED BED

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[1] Настоящее изобретение относится к областям химической инженерии и металлургии, в частности способу прямого восстановления железорудного концентрата в псевдоожиженном (кипящем) слое и системе для его осуществления.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] В последнее время наблюдается бурное развитие сталелитейной промышленности. Существующие способы производства железа в доменных печах обнаружили серьезные недостатки: зависимость от металлургического кокса и окатышей, большая энергоемкость и вред окружающей среде. Именно поэтому все больше внимания уделяют способам прямого восстановления железа без использования кокса. В 2011 году объем производства прямовосстановленного железа по всему миру достиг 73,32 млн. тонн, и это не предел. Развитию этого направления способствуют новые разработки в краткосрочных процессах и способах производства стали в электрических печах, а также растущий спрос на прямовосстановленное железо как наиболее высококачественное сырье для производства стали. Прямое восстановление железа - это передний край технологий производства железа и стали нового поколения.
[3] В настоящее время существуют различные способы прямого восстановления железной руды, которые в зависимости от типа используемых реакторов-восстановителей подразделяются на способы прямого восстановления во вращающейся печи (см., например, способ SL/RN, патентная заявка 200710138915.9 (Китай)), в карусельной печи (см., например, патентные заявки 200810302482.0 и 201110236682.2 (Китай)), в шахтной печи (см., например, способы Midrex или HYL III, патентная заявка 20111044319.4 (Китай)), в псевдоожиженном (кипящем) слое (см., например, способы FIOR, FIMET, Carbide, HIB, патентная заявка 201110006745.5 (Китай)) и т.д.
[4] По сравнению с прочими процессами прямое восстановление в кипящем слое имеет следующие преимущества. Во-первых, такая технология позволяет работать напрямую с железорудным концентратом без необходимости в спекании и формировании окатышей. Более того, она позволяет эффективнее работать с порошкообразными рудами, что очень важно, поскольку по мере развития добычи железной руды качество руд и, соответственно, железорудных концентратов падает. Во-вторых, восстановление железного порошка в кипящем слое на газовой основе с относительно большой эффективной площадью поверхности позволяет осуществлять восстановление при меньших температурах ввиду меньшего сопротивления массопереноса и высокой эффективности теплопереноса. Предполагается, что это позволит преодолеть существующие проблемы соотношения затраты-эффективность существующих способов прямого восстановления. В-третьих, таким способом можно обрабатывать сложные парагенные руды. Например, в ходе прямого восстановления с жидкофазным разделением в кипящем слое концентрата ванадиевого титаномагнетита можно получить железо и осадок в виде концентрированного ванадия и титана.
[5] Тем не менее необходимо отметить, что прямое восстановление железорудного концентрата требует больших затрат восстановительного газа, а также является эндотермической реакцией. В связи с этим для того, чтобы процесс восстановления в кипящем слое проходил гладко, материал необходимо нагревать до высоких температур и подача тепла должна быть постоянной. Актуальные данные промышленных испытаний показывают, что энергетические затраты при производстве горячебрикетированного железа по способу FIOR/FINMET составляют около 15 ГДж на тонну, что значительно больше 10,5 ГДж по способу MIDREX с использованием шахтной печи. Это означает, что способы восстановления с использованием кипящих слоев можно улучшать с целью снижения их энергоемкости. Таким образом, для того чтобы осуществить масштабное промышленное применение технологии прямого восстановления железорудного концентрата в кипящем слое, необходимо повысить коэффициент использования тепла и эффективность восстановления.
[6] В известных способах прямого восстановления железорудного концентрата в кипящем слое, как правило, используется от двух до четырех кипящих слоев. В процессах по способам FIOR (см., например, патент US 5082251), FINMET (см. Герхард Даймек, Steel, 2000, 12: 13-15) и FINEX (см. Шоужун Чжан и Шаосянь Чжан, Steel, 2009, 5: 1-5) используется четыре кипящих слоя. Порошкообразную руду без предварительного подогрева помещают в первый кипящий слой, а предварительный подогретый восстановительный газ подают в последний кипящий слой, и затем газ последовательно проходит через все кипящие слои. Поскольку в процессе отсутствует промежуточная подача дополнительного тепла, температура в первом и втором кипящих слоях падает ниже 600°C. При такой температуре коэффициент восстановления настолько низок, что эти слои, по сути, используются для предподогрева порошкообразной руды. Восстановление порошкообразной руды в основном происходит последовательно в третьем и четвергом кипящих слоях, ввиду чего общая эффективность восстановления всей системы падает. К патентам, в которых, как и в способах FIOR/FINMET и FINEX, раскрывается использование четырех кипящих слоев, также относятся: US 20120328465 (2012), CN 101892339 (2012), CN 101397597 (2010), CN 101519707 (2010), CN 100560739 (2009), US 20080277842 (2008), AU 2001265669 (2001) и т.д. В этих способах восстановительный газ проходит последовательно через все кипящие слои под большим давлением, и на его сжатие тратится много энергии. Кроме того, отходящий восстановительный газ (полученный в последних кипящих слоях) используется только для предварительного подогрева порошкообразной руды в предшествующих слоях, не подогревая ее до нужной температуры, что негативно сказывается на эффективности восстановления.
[7] В способе Circored (см. С.А. Элмквист, П. Вебер, Г. Айхбергер и Юймин Ван, World Steel, 2009, 2: 12-16), разработанном немецкой Lurgi, в качестве восстановительной среды используют водород. Порошкообразная железная руда и отходящий газ из быстрого подогревающего слоя поступают в быстрый кипящий слой, где в качестве источника тепла используется прямое сжигание топлива посредством трубы Вентури и циклон для сушки и предподогрева до 850-900°C. Сначала их с потоком воздуха поднимают в приемник для предварительного восстановления, затем направляют в циркулирующий кипящий слой (первая ступень) при температуре 630-650°C. Такой тип предподогрева порошкообразной железной руды в кипящем слое похож на тот, что используется в способах FIOR и FINMET, но отличается более сложной процедурой. Порошкообразную руду, прошедшую предварительное восстановление, сбрасывают из циркулирующего слоя и направляют в пенный кипящий слой (вторая ступень) при температуре 680°C и давлении 0,4 МПа для окончательного восстановления. Раскаленный отходящий газ, сброшенный из циркулирующего кипящего слоя, вступает в теплообмен с циркулирующим газом, в результате чего очищается, сжимается и перерабатывается.
[8] Lurgi также разработала способ Circofer (см. патент US 5433767; Ши Цю, Sintering and Pelletizing, 1995, 2: 38-42), в котором в качестве основного источника энергии выступает уголь. По этому способу порошкообразную железную руду с добавками и горячим отходящим газом, сброшенные из кипящего слоя первой ступени (циркулирующего кипящего слоя), предварительно подогревают подогревателями Вентури в два этапа. После подогрева в первом подогревателе Вентури материалы сбрасывают в циклон, где они отделяются друг от друга, и полученные твердые вещества отправляют во второй подогреватель Вентури. После подогрева во втором подогревателе Вентури материалы сбрасывают в циклон, где они отделяются друг от друга, и газ направляют в первый подогреватель Вентури. В процессе порошок имеет тенденцию повторно накапливаться в системе предподогрева. Твердые вещества, сброшенные из циклона после подогрева во втором подогревателе Вентури, направляют в генератор тепла, где тепло поступает от прямого сжигания угля, для дальнейшего предварительного подогрева и получения восстановительного газа. После этого их возвращают в первый кипящий слой для предварительного восстановления при температуре 950°C, а когда коэффициент металлизации достигнет примерно 80%, направляют во второй кипящий слой для окончательного восстановления при температуре 850°C. Угольный порошок, поступающий в генератор тепла, практически не подвергается реакции и, пройдя через оба восстановительных кипящих слоя, сбрасывается вместе с прямовосстановленным железом. Полученный в итоге осадок в виде угольного порошка должен быть отделен от железа в магнитном сепараторе, что, в свою очередь, приводит к усложнению процедуры восстановления.
[9] Компания Outotec также предложила систему прямого восстановления в кипящем слое, где кипящий слой нагревается посредством сжигания углесодержащего материала (см. патент US 7608128 B2 (США) и ZL 200580017740.5 (Китай)). Такая система подобна системе по способу Circofer и отличается наличием подогревающего кипящего слоя и восстановительного кипящего слоя. Руду предварительно подогревают дымовыми газами, сброшенными из газоотвода циклона-сепаратора восстановительного кипящего слоя, в камерах-циклонах в два этапа, после чего она поступает в восстановительный кипящий слой для восстановления, однако температуры восстановления, до которой ее должен подогреть отходящий восстановительный газ, едва достаточно для реакции. Твердые вещества, сброшенные через выход циклона-сепаратора восстановительного кипящего слоя, поступают в подогревающий кипящий слой. Угольный порошок, добавляемый в подогревающий кипящий слой, ожижается в восходящем потоке псевдоожижающего (неокисляющего) воздуха и затем, вступая в контакт с кислородсодержащим газом, впрыскиваемым из форсунки с водным охлаждением в подогревающем кипящем слое, сжигается, в результате чего выделяется большое количество тепла. Это тепло затем в виде дымовых газов с пылевой взвесью посредством трубы подачи дымовых газов в верху подогревающего кипящего слоя направляют в восстановительный кипящий слой. Восстановительный псевдоожижающий газ проходит через нижнюю часть восстановительного кипящего слоя для восстановления порошкообразной руды в кипящем слое. Кроме того, чтобы эффективно препятствовать накоплению мелких частиц, в восстановительный кипящий слой можно ввести форсунку для продува кислородом с водным охлаждением. Отходящий восстановительный газ после теплообмена с рудой перерабатывают в псевдоожидающий газ, предварительно отделив его от твердых примесей, воды, двуокиси углерода, а также охладив, сжав и подогрев. Подобная система восстановления также имеет ряд недостатков, как то: недостаточное участие в реакции угольного порошка, усложненная процедура, включающая дополнительные этапы разделения и переработки, а также низкая эффективность предподогрева порошкообразной руды.
[10] Для усовершенствования существующих систем восстановления железорудного концентрата с использованием псевдоожиженных (кипящих) слоев необходимо увеличить коэффициент использования тепла и снизить энергоемкость, а также решить следующие две проблемы: 1. Высокое рабочее давление. Известные способы с использованием многоступенчатого кипящего слоя, такие как FIOR/FINMET и FINEX, как правило, основаны на том, что газ проходит последовательно через все слои под большим давлением, что позволяет уменьшить диаметр кипящего слоя, но вместе с тем требует больших энергозатрат на сжатие воздуха. 2. Низкая эффективность восстановления. Несмотря на то, что в большинстве способов для восстановления используется четыре кипящих слоя, в них отсутствует промежуточная подача дополнительного тепла в процессе прохождения газа между слоями. Из-за этого наблюдается падение температуры восстановления с четвертого слоя по первый. В итоге последние два слоя в восстановлении практически не участвуют, что приводит к падению эффективности системы в целом. Исходя из всего перечисленного, снижение рабочего давления псевдоожиженного (кипящего) слоя и повышение общей эффективности восстановления в многоступенчатом кипящем слое посредством технических инноваций играют ключевую роль в улучшении экономической эффективности процесса восстановления.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[11] Для преодоления указанных недостатков в настоящем изобретении предлагается способ прямого восстановления железорудного концентрата в кипящем слое и система для его осуществления, позволяющая уменьшить рабочее давление в системе, при этом увеличивая эффективность восстановления и обеспечивая экономичное прямое восстановление. Для достижения вышеуказанных целей в настоящем изобретении используются следующие технические решения.
[12] Настоящее изобретение описывает систему прямого восстановления железорудного концентрата в псевдоожиженном (кипящем) слое, включающую бункер (1) для порошкообразной руды, шнековый питатель (2), подогреватель (3) порошкообразной руды, питатель (4) секции предварительного восстановления, узел кипящего слоя (5) секции предварительного восстановления, питатель (6) секции окончательного восстановления, узел кипящего слоя (7) секции окончательного восстановления, разгрузочное устройство (8), приемник (9) готового продукта, нагреватель газа (10) секции предварительного восстановления и нагреватель газа (11) секции окончательного восстановления.
[13] Подогреватель (3) порошкообразной руды включает первый циклон-сепаратор (3-1), второй циклон-сепаратор (3-2), центробежный пылеотделитель (3-3) и мешок-пылесборник (3-4).
[14] Узел кипящего слоя (5) секции предварительного восстановления включает камеру (5-1) первого пенного слоя, третий циклон-сепаратор (5-2), четвертый циклон-сепаратор (5-3), межслойный питатель (5-4) секции предварительного восстановления, стояк (5-5) первого циркулирующего слоя, пятый циклон-сепаратор (5-6), шестой циклон-сепаратор (5-7) и первую циркуляционную опускную трубу (5-8).
[15] Узел кипящего слоя (7) секции окончательного восстановления включает камеру (7-1) второго пенного слоя, седьмой циклон-сепаратор (7-2), восьмой циклон-сепаратор (7-3), межслойный питатель (7-4) секции окончательного восстановления, стояк (7-5) второго циркулирующего слоя, девятый циклон-сепаратор (7-6), десятый циклон-сепаратор (7-7) и вторую циркуляционную опускную трубу (7-8).
[16] Выход в днище бункера (1) для порошкообразной руды посредством трубопровода соединен с загрузочным входом шнекового питателя (2). Выход шнекового питателя (2) посредством трубопровода соединен с входом второго циклона-сепаратора (3-2). Выход в днище второго циклона-сепаратора (3-2) посредством трубопровода соединен с входом первого циклона-сепаратора (3-1). Вход первого циклона-сепаратора (3-1) посредством трубопровода соединен с каждым отводом дымовых газов нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления и отводом дымовых газов нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления. Газоотвод первого циклона-сепаратора (3-1) посредством трубопровода соединен с входом второго циклона-сепаратора (3-2). Газоотвод второго циклона-сепаратора (3-2) посредством трубопровода соединен с входом центробежного пылеотделителя (3-3). Газоотвод центробежного пылеотделителя (3-3) посредством трубопровода соединен с входом мешка-пылесборника (3-4). Газоотвод мешка-пылесборника (3-4) посредством трубопровода соединен с системой переработки дымовых газов. Каждый выход в днище первого циклона-сепаратора (3-1), выход в днище центробежного пылеотделителя (3-3) и выход мешка-пылесборника (3-4) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом питателя (4) секции предварительного восстановления.
[17] Разгрузочное отверстие питателя (4) секции предварительного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части камеры (5-1) первого пенного слоя узла кипящего слоя (5) секции предварительного восстановления. Впуск газа в днище камеры (5-1) первого пенного слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом шестого циклона-сепаратора (5-7). Газоотвод камеры (5-1) первого пенного слоя посредством трубопровода соединен с входом третьего циклона-сепаратора (5-2). Газоотвод третьего циклона-сепаратора (5-2) посредством трубопровода соединен с входом четвертого циклона-сепаратора (5-3). Газоотвод четвертого циклона-сепаратора (5-3) посредством трубопровода соединен с системой переработки отходящих газов. Каждый выход в верхней части камеры (5-1) первого пенного слоя, выход в днище третьего циклона-сепаратора (5-2) и выход в днище четвертого циклона-сепаратора (5-3) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления. Разгрузочное отверстие межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части стояка (5-5) первого циркулирующего слоя. Впуск газа в днище стояка (5-5) первого циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления. Выход вверху стояка (5-5) первого циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с входом пятого циклона-сепаратора (5-6). Газоотвод вверху пятого циклона-сепаратора (5-6) посредством трубопровода соединен с входом шестого циклона-сепаратора (5-7). Первая циркуляционная опускная труба (5-8) установлена в нижней части пятого циклона-сепаратора (5-6), а возвратное отверстие в нижней части первой циркуляционной опускной трубы (5-8) посредством трубопровода соединено с возвратным отверстием в нижней части стояка (5-5) первого циркулирующего слоя. Каждое разгрузочное отверстие в нижней части первой циркуляционной опускной трубы (5-8) и выход в днище шестого циклона-сепаратора (5-7) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом питателя (6) секции окончательного восстановления.
[18] Разгрузочное отверстие питателя (6) секции окончательного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части камеры (7-1) второго пенного слоя узла кипящего слоя (7) секции окончательного восстановления. Впуск газа в днище камеры (7-1) второго пенного слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом десятого циклона-сепаратора (7-7). Газоотвод камеры (7-1) второго пенного слоя посредством трубопровода соединен с входом седьмого циклона-сепаратора (7-2). Газоотвод седьмого циклона-сепаратора (7-2) посредством трубопровода соединен с входом восьмого циклона-сепаратора (7-3). Газоотвод восьмого циклона-сепаратора (7-3) посредством трубопровода соединен с системой переработки отходящих газов. Каждый выход в верхней части камеры (7-1) второго пенного слоя, выход в днище седьмого циклона-сепаратора (7-2) и выход в днище восьмого циклона-сепаратора (7-3) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления. Разгрузочное отверстие межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части стояка (7-5) второго циркулирующего слоя. Впуск газа в днище стояка (7-5) второго циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления. Выход вверху стояка (7-5) второго циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с входом девятого циклона-сепаратора (7-6). Газоотвод вверху девятого циклона-сепаратора (7-6) посредством трубопровода соединен с входом десятого циклона-сепаратора (7-7). Вторая циркуляционная опускная труба (7-8) установлена в нижней части девятого циклона-сепаратора (7-6), а возвратное отверстие в нижней части второй циркуляционной опускной трубы (7-8) посредством трубопровода соединено с возвратным отверстием в нижней части стояка (7-5) второго циркулирующего слоя. Каждое разгрузочное отверстие в нижней части второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и выход в днище десятого циклона-сепаратора (7-7) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом питателя разгрузочного устройства (8). Разгрузочное отверстие разгрузочного устройства (8) посредством трубопровода соединено с загрузочным входом приемника (9) готового продукта.
[19] Каждый впуск газа в днище питателя (4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище первой циркуляционной опускной трубы (5-8), впуск газа в днище питателя (6) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и впуск газа в днище разгрузочного устройства (8) посредством трубопроводов соединены с основной трубой подачи азота, причем каждый трубопровод оснащен регулировочным клапаном.
[20] Каждый впуск газа нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления, впуск топливного газа нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления, впуск газа нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления, впуск топливного газа нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления посредством трубопроводов соединены с основной трубой подачи восстановительного газа, причем каждый трубопровод оснащен регулировочным клапаном. Каждый впуск воздуха для поддержания горения нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления и впуск воздуха для поддержания горения нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления посредством трубопроводов соединены с основной трубой подачи воздуха, причем каждый трубопровод оснащен регулировочным клапаном.
[21] Настоящее изобретение описывает способ прямого восстановления железорудного концентрата в псевдоожиженном (кипящем) слое в описанной выше системе, заключающийся в одновременном впуске и прохождения порошка и газа внутрь системы в соответствии со следующей последовательностью действий: железорудный концентрат из бункера (1) для порошкообразной руды посредством шнекового питателя (2) подают во второй циклон-сепаратор (3-2) для теплообмена с дымовыми газами из первого циклона-сепаратора (3-1), затем подают в первый циклон-сепаратор (3-1) для дальнейшего теплообмена с горячими дымовыми газами из нагревателя восстановительного газа (10) секции предварительного восстановления и нагревателя восстановительного газа (11) секции окончательного восстановления, а затем вместе с порошком, собранным центробежным пылеотделителем (3-3) и мешком-пылесборником (3-4), посредством питателя (4) секции предварительного восстановления подают в камеру (5-1) первого пенного слоя. Порошок, сброшенный через выход в верхней части камеры (5-1) первого пенного слоя, а также порошок, собранный третьим циклоном-сепаратором (5-2) и четвертым циклоном-сепаратором (5-3), посредством межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления подают в стояк (5-5) первого циркулирующего слоя. Часть порошка, сброшенного через выход вверху стояка (5-5) первого циркулирующего слоя, выводят через разгрузочные отверстия в нижней части пятого циклона-сепаратора (5-6) и первой циркуляционной опускной трубы (5-8) и вместе с порошком, собранным шестым циклоном-сепаратором (5-7), посредством питателя (6) секции окончательного восстановления подают в камеру (7-1) второго пенного слоя. Порошок, сброшенный через выход в верхней части камеры (7-1) второго пенного слоя, а также порошок, собранный седьмым циклоном-сепаратором (7-2) и восьмым циклоном-сепаратором (7-3), посредством межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления подают в стояк (7-5) второго циркулирующего слоя. Часть порошка, сброшенного через выход вверху стояка (7-5) второго циркулирующего слоя, выводят через разгрузочные отверстия в нижней части девятого циклона-сепаратора (7-6) и второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и вместе с порошком, собранным десятым циклоном-сепаратором (7-7), посредством разгрузочного устройства (8) подают в приемник (9) готового продукта. Восстановительный газ предварительно подогревают в нагревателе газа (10) секции предварительного восстановления, затем подают в стояк (5-5) первого циркулирующего слоя, где он вступает в контакт с порошкообразной рудой, восстанавливая ее, после чего посредством пятого циклона-сепаратора (5-6) и шестого циклона-сепаратора (5-7) подают в камеру (5-1) первого пенного слоя для вступления в дальнейшую реакцию с порошкообразной рудой, затем в третьем циклоне-сепараторе (5-2) и четвертом циклоне-сепараторе (5-3) подвергают отделению от порошка, после чего посредством трубопровода подают в систему переработки отходящих газов. Восстановительный газ предварительно подогревают в нагревателе газа (11) секции окончательного восстановления, затем подают в стояк (7-5) второго циркулирующего слоя, где он вступает в контакт с порошкообразной рудой, восстанавливая ее, после чего посредством девятого циклона-сепаратора (7-6) и десятого циклона-сепаратора (7-7) подают в камеру (7-1) второго пенного слоя для вступления в дальнейшую реакцию с порошкообразной рудой, затем в седьмом циклоне-сепараторе (7-2) и восьмом циклоне-сепараторе (7-3) подвергают отделению от порошка, после чего посредством трубопровода подают в систему переработки отходящих газов. Тем временем, в систему восстановления через впуск газа в днище питателя (4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище первой циркуляционной опускной трубы (5-8), впуск газа в днище питателя (6) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и впуск газа в днище разгрузочного устройства (8) подают азот. Воздух и восстановительный газ через сопло подают в нагреватель газа (10) секции предварительного восстановления и нагреватель газа (11) секции окончательного восстановления, где их сжигают, чтобы получить тепло для предподогрева восстановительного газа, после чего их последовательно подают в первый циклон-сепаратор (3-1) и второй циклон-сепаратор (3-2), где они вступают в контакт с железорудным концентратом, осуществляя теплообмен, затем в центробежном пылеотделителе (3-3) и мешке-пылесборнике (3-4) их подвергают очищению от твердых примесей, после чего посредством трубопровода подают в систему переработки дымовых газов. Окись железа в руде восстанавливают до металлического железа, после того как железорудный концентрат подвергают предварительному подогреву и двум этапам восстановления, а продукт восстановления разгружают в приемник (9) готового продукта.
[22] Первым отличием способа прямого восстановления, описанного выше, является то, что в качестве железорудного концентрата выступает железосодержащий порошок с массовой долей общего содержания железа 50-70%, полученный посредством обработки и обогащения природных руд или твердых промышленных отходов, причем размер частиц железорудного концентрата составляет 0,01-0,5 мм.
[23] Вторым отличием способа прямого восстановления, описанного выше, является то, что стояк первого циркулирующего слоя и стояк второго циркулирующего слоя обеспечивают движение газа со скоростью 5-10 м/с.
[24] Третьим отличием способа прямого восстановления, описанного выше, является то, что температура дымовых газов на входе первого циклона-сепаратора подогревателя порошкообразной руды составляет 500-700°C, температура восстановления в кипящем слое секции предварительного восстановления составляет 650-850°C, а температура восстановления в кипящем слое секции окончательного восстановления составляет 850-950°C.
2
3
[25] Четвертым отличием способа прямого восстановления, описанного выше, является то, что в качестве восстановительного газа используют коксовый (каменноугольный) газ или реформированный газ, где роль активных компонентов играют Н и СО, а теплота сгорания составляет 10-20 МДж/Н*м.
[26] Одним из результатов настоящего изобретения является то, что прямое восстановление железорудного концентрата происходит в двух кипящих слоях, причем каждый кипящий слой состоит из пенного слоя и циркулирующего слоя. Газ прогоняется через циркулирующий кипящий слой на большой скорости, что значительно снижает сопротивление диффузионного массопереноса, тем самым увеличивая эффективность восстановления.
[27] Еще один результат настоящего изобретения заключается в том, что восстановительный газ предварительно подогревают, а затем он одновременно поступает и в секцию предварительного восстановления, и в секцию окончательного восстановления. В каждой из секций восстановления восстановительный газ последовательно проходит через циркулирующий кипящий слой и через пенный кипящий слой. Подобная смешанная процедура позволяет снизить рабочее давление и вместе с тем увеличивает коэффициент использования восстановительного газа.
[28] Также результатом настоящего изобретения является то, что горячие дымовые газы, полученные в ходе процесса сжигания в нагревателе восстановительного газа, после теплообмена с восстановительным газом переправляют в подогреватель порошкообразной руды для предподогрева железорудного концентрата, тем самым снижая энергоемкость системы.
[29] Исходя из вышеперечисленного, настоящее изобретение обладает следующими преимуществами: высокая эффективность восстановления, высокий коэффициент использования восстановительного газа, тепловой энергии и т.п., значительное снижение рабочего давления и энергопотребления при восстановлении в кипящем слое, что обеспечивает экономичность описанного способа прямого восстановления железорудного концентрата в кипящем слое.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[30] На фиг. 1 изображена принципиальная схема системы прямого восстановления железорудного концентрата в двух кипящих слоях по способу, описанному в настоящем изобретении.
[31] На чертеже цифрами обозначены:
1. бункер для порошкообразной руды,
2. шнековый питатель,
3. подогреватель порошкообразной руды,
3-1. первый циклон-сепаратор,
3-2. второй циклон-сепаратор,
3-3. центробежный пылеотделитель,
3-4. мешок-пылесборник,
4. питатель секции предварительного восстановления,
5. узел кипящего слоя секции предварительного восстановления,
5-1. камера первого пенного слоя,
5-2. третий циклон-сепаратор,
5-3. четвертый циклон-сепаратор,
5-4. межслойный питатель секции предварительного восстановления,
5-5. стояк (riser) первого циркулирующего слоя.
5-6. пятый циклон-сепаратор,
5-7. шестой циклон-сепаратор,
5-8. первая циркуляционная опускная труба (dipleg),
6. питатель секции окончательного восстановления,
7. узел кипящего слоя секции окончательного восстановления,
7-1. камера второго пенного слоя,
7-2. седьмой циклон-сепаратор,
7-3. восьмой циклон-сепаратор,
7-4. межслойный питатель секции окончательного восстановления,
7-5. стояк (riser) второго циркулирующего слоя,
7-6. девятый циклон-сепаратор,
7-7. десятый циклон-сепаратор,
7-8. вторая циркуляционная опускная труба (dipleg),
8. разгрузочное устройство,
9. приемник готового продукта,
10. нагреватель газа секции предварительного восстановления,
11. нагреватель газа секции окончательного восстановления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[32] Ниже следует подробное описание технического результата, преимуществ и назначения настоящего изобретения, снабженное примерами применения настоящего изобретения и ссылками на сопроводительные чертежи вариантов осуществления настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники поймут, что приведенными примерами все возможности осуществления настоящего изобретения не ограничиваются. Следует отметить, что приведенные примеры лишь демонстрируют ряд технических решений настоящего изобретения и что настоящее изобретение никак ими не ограничено. На фиг. 1 изображена принципиальная схема системы прямого восстановления железорудного концентрата в псевдоожиженном (кипящем) слое по способу, описанному в настоящем изобретении.
[33] Система прямого восстановления железорудного концентрата в псевдоожиженном (кипящем) слое, изображенная на фиг. 1 и описанная в данном примере, включает: бункер (1) для порошкообразной руды, шнековый питатель (2), подогреватель (3) порошкообразной руды, питатель (4) секции предварительного восстановления, узел кипящего слоя (5) секции предварительного восстановления, питатель (6) секции окончательного восстановления, узел кипящего слоя (7) секции окончательного восстановления, разгрузочное устройство (8), приемник (9) готового продукта, нагреватель газа (10) секции предварительного восстановления и нагреватель газа (11) секции окончательного восстановления.
[34] Подогреватель (3) порошкообразной руды включает первый циклон-сепаратор (3-1), второй циклон-сепаратор (3-2), центробежный пылеотделитель (3-3) и мешок-пылесборник (3-4). Узел кипящего слоя (5) секции предварительного восстановления включает камеру (5-1) первого пенного слоя, третий циклон-сепаратор (5-2), четвертый циклон-сепаратор (5-3), межслойный питатель (5-4) секции предварительного восстановления, стояк (5-5) первого циркулирующего слоя, пятый циклон-сепаратор (5-6), шестой циклон-сепаратор (5-7) и первую циркуляционную опускную трубу (5-8). Узел кипящего слоя (7) секции окончательного восстановления включает камеру (7-1) второго пенного слоя, седьмой циклон-сепаратор (7-2), восьмой циклон-сепаратор (7-3), межслойный питатель (7-4) секции окончательного восстановления, стояк (7-5) второго циркулирующего слоя, девятый циклон-сепаратор (7-6), десятый циклон-сепаратор (7-7) и вторую циркуляционную опускную трубу (7-8).
[35] Выход в днище бункера (1) для порошкообразной руды посредством трубопровода соединен с загрузочным входом шнекового питателя (2). Выход шнекового питателя (2) посредством трубопровода соединен с входом второго циклона-сепаратора (3-2). Выход в днище второго циклона-сепаратора (3-2) посредством трубопровода соединен с входом первого циклона-сепаратора (3-1). Вход первого циклона-сепаратора (3-1) посредством трубопровода соединен с каждым отводом дымовых газов нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления и отводом дымовых газов нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления. Газоотвод первого циклона-сепаратора (3-1) посредством трубопровода соединен с входом второго циклона-сепаратора (3-2). Газоотвод второго циклона-сепаратора (3-2) посредством трубопровода соединен с входом центробежного пылеотделителя (3-3). Газоотвод центробежного пылеотделителя (3-3) посредством трубопровода соединен с входом мешка-пылесборника (3-4). Газоотвод мешка-пылесборника (3-4) посредством трубопровода соединен с системой переработки дымовых газов. Каждый выход в днище первого циклона-сепаратора (3-1), выход в днище центробежного пылеотделителя (3-3) и выход мешка-пылесборника (3-4) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом питателя (4) секции предварительного восстановления.
[36] Разгрузочное отверстие питателя (4) секции предварительного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части камеры (5-1) первого пенного слоя узла кипящего слоя (5) секции предварительного восстановления. Впуск газа в днище камеры (5-1) первого пенного слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом шестого циклона-сепаратора (5-7). Газоотвод камеры (5-1) первого пенного слоя посредством трубопровода соединен с входом третьего циклона-сепаратора (5-2). Газоотвод третьего циклона-сепаратора (5-2) посредством трубопровода соединен с входом четвертого циклона-сепаратора (5-3). Газоотвод четвертого циклона-сепаратора (5-3) посредством трубопровода соединен с системой переработки отходящих газов. Каждый выход в верхней части камеры (5-1) первого пенного слоя, выход в днище третьего циклона-сепаратора (5-2) и выход в днище четвертого циклона-сепаратора (5-3) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления. Разгрузочное отверстие межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части стояка (5-5) первого циркулирующего слоя. Впуск газа в днище стояка (5-5) первого циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления. Выход вверху стояка (5-5) первого циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с входом пятого циклона-сепаратора (5-6). Газоотвод вверху пятого циклона-сепаратора (5-6) посредством трубопровода соединен с входом шестого циклона-сепаратора (5-7). Первая циркуляционная опускная труба (5-8) установлена в нижней части пятого циклона-сепаратора (5-6), а возвратное отверстие в нижней части первой циркуляционной опускной трубы (5-8) посредством трубопровода соединено с возвратным отверстием в нижней части стояка (5-5) первого циркулирующего слоя. Каждое разгрузочное отверстие в нижней части первой циркуляционной опускной трубы (5-8) и выход в днище шестого циклона-сепаратора (5-7) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом питателя (6) секции окончательного восстановления.
[37] Разгрузочное отверстие питателя (6) секции окончательного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части камеры (7-1) второго пенного слоя узла кипящего слоя (7) секции окончательного восстановления. Впуск газа в днище камеры (7-1) второго пенного слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом десятого циклона-сепаратора (7-7). Газоотвод камеры (7-1) второго пенного слоя посредством трубопровода соединен с входом седьмого циклона-сепаратора (7-2). Газоотвод седьмого циклона-сепаратора (7-2) посредством трубопровода соединен с входом восьмого циклона-сепаратора (7-3). Газоотвод восьмого циклона-сепаратора (7-3) посредством трубопровода соединен с системой переработки отходящих газов. Каждый выход в верхней части камеры (7-1) второго пенного слоя, выход в днище седьмого циклона-сепаратора (7-2) и выход в днище восьмого циклона-сепаратора (7-3) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления. Разгрузочное отверстие межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления посредством трубопровода соединено с загрузочным входом в нижней части стояка (7-5) второго циркулирующего слоя. Впуск газа в днище стояка (7-5) второго циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с газоотводом нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления. Выход вверху стояка (7-5) второго циркулирующего слоя посредством трубопровода соединен с входом девятого циклона-сепаратора (7-6). Газоотвод вверху девятого циклона-сепаратора (7-6) посредством трубопровода соединен с входом десятого циклона-сепаратора (7-7). Вторая циркуляционная опускная труба (7-8) установлена в нижней части девятого циклона-сепаратора (7-6), а возвратное отверстие в нижней части второй циркуляционной опускной трубы (7-8) посредством трубопровода соединено с возвратным отверстием в нижней части стояка (7-5) второго циркулирующего слоя. Каждое разгрузочное отверстие в нижней части второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и выход в днище десятого циклона-сепаратора (7-7) посредством трубопровода соединены с загрузочным входом питателя разгрузочного устройства (8). Разгрузочное отверстие разгрузочного устройства (8) посредством трубопровода соединено с загрузочным входом приемника (9) готового продукта.
[38] Каждый впуск газа в днище питателя (4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище первой циркуляционной опускной трубы (5-8), впуск газа в днище питателя (6) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и впуск газа в днище разгрузочного устройства (8) посредством трубопроводов соединены с основной трубой подачи азота, причем каждый трубопровод оснащен регулировочным клапаном.
[39] Каждый впуск газа нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления, впуск топливного газа нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления, впуск газа нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления, впуск топливного газа нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления посредством трубопроводов соединены с основной трубой подачи восстановительного газа, причем каждый трубопровод оснащен регулировочным клапаном. Каждый впуск воздуха для поддержания горения нагревателя газа (10) секции предварительного восстановления и впуск воздуха для поддержания горения нагревателя газа (11) секции окончательного восстановления посредством трубопроводов соединены с основной трубой подачи воздуха, причем каждый трубопровод оснащен регулировочным клапаном.
[40] В данном примере реализуется описанный способ прямого восстановления железорудного концентрата в псевдоожиженном (кипящем) слое в системе по настоящему изобретению. Порошок и газ одновременно поступают внутрь системы в соответствии со следующей последовательностью действий. Железорудный концентрат из бункера (1) для порошкообразной руды посредством шнекового питателя (2) подают во второй циклон-сепаратор (3-2) для теплообмена с дымовыми газами из первого циклона-сепаратора (3-1), затем подают в первый циклон-сепаратор (3-1) для дальнейшего теплообмена с горячими дымовыми газами из нагревателя восстановительного газа (10) секции предварительного восстановления и нагревателя восстановительного газа (11) секции окончательного восстановления, а затем вместе с порошком, собранным центробежным пылеотделителем (3-3) и мешком-пылесборником (3-4), посредством питателя (4) секции предварительного восстановления подают в камеру (5-1) первого пенного слоя. Порошок, сброшенный через выход в верхней части камеры (5-1) первого пенного слоя, а также порошок, собранный третьим циклоном-сепаратором (5-2) и четвертым циклоном-сепаратором (5-3), посредством межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления подают в стояк (5-5) первого циркулирующего слоя. Часть порошка, сброшенного через выход вверху стояка (5-5) первого циркулирующего слоя, выводят через разгрузочные отверстия в нижней части пятого циклона-сепаратора (5-6) и первой циркуляционной опускной трубы (5-8) и вместе с порошком, собранном шестым циклоном-сепаратором (5-7), посредством питателя (6) секции окончательного восстановления подают в камеру (7-1) второго пенного слоя. Порошок, сброшенный через выход в верхней части камеры (7-1) второго пенного слоя, а также порошок, собранный седьмым циклоном-сепаратором (7-2) и восьмым циклоном-сепаратором (7-3), посредством межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления подают в стояк (7-5) второго циркулирующего слоя. Часть порошка, сброшенного через выход вверху стояка (7-5) второго циркулирующего слоя, выводят через разгрузочные отверстия в нижней части девятого циклона-сепаратора (7-6) и второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и вместе с порошком, собранном десятым циклоном-сепаратором (7-7), посредством разгрузочного устройства (8) подают в приемник (9) готового продукта. Восстановительный газ предварительно подогревают в нагревателе газа (10) секции предварительного восстановления, затем подают в стояк (5-5) первого циркулирующего слоя, где он вступает в контакт с порошкообразной рудой, восстанавливая ее, после чего посредством пятого циклона-сепаратора (5-6) и шестого циклона-сепаратора (5-7) подают в камеру (5-1) первого пенного слоя для вступления в дальнейшую реакцию с порошкообразной рудой, затем в третьем циклоне-сепараторе (5-2) и четвертом циклоне-сепараторе (5-3) подвергают отделению от порошка, после чего посредством трубопровода подают в систему переработки отходящих газов. Восстановительный газ предварительно подогревают в нагревателе газа (11) секции окончательного восстановления, затем его подают в стояк (7-5) второго циркулирующего слоя, где он вступает в контакт с порошкообразной рудой, восстанавливая ее, после чего посредством девятого циклона-сепаратора (7-6) и десятого циклона-сепаратора (7-7) подают в камеру (7-1) второго пенного слоя для вступления в дальнейшую реакцию с порошкообразной рудой, затем в седьмом циклоне-сепараторе (7-2) и восьмом циклоне-сепараторе (7-3) подвергают отделению от порошка, после чего посредством трубопровода подают в систему переработки отходящих газов. Тем временем, в систему восстановления через впуск газа в днище питателя (4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (5-4) секции предварительного восстановления, впуск газа в днище первой циркуляционной опускной трубы (5-8), впуск газа в днище питателя (6) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище межслойного питателя (7-4) секции окончательного восстановления, впуск газа в днище второй циркуляционной опускной трубы (7-8) и впуск газа в днище разгрузочного устройства (8) подают азот. Воздух и восстановительный газ через сопло подают в нагреватель газа (10) секции предварительного восстановления и нагреватель газа (11) секции окончательного восстановления, где их сжигают, чтобы получить тепло для предподогрева восстановительного газа, после чего их последовательно подают в первый циклон-сепаратор (3-1) и второй циклон-сепаратор (3-2), где они вступают в контакт с железорудным концентратом, осуществляя теплообмен, затем в центробежном пылеотделителе (3-3) и мешок-пылесборнике (3-4) их подвергают очищению от твердых примесей, после чего посредством трубопровода подают в систему переработки дымовых газов. Окись железа в руде восстанавливают до металлического железа, после того как железорудный концентрат подвергают предварительному подогреву и двум этапам восстановления, а продукт восстановления разгружают в приемник (9) готового продукта.
3
[41] В качестве сырья в данном примере используют железорудный концентрат с массовой долей общего содержания железа 62% и размером частиц в пределах 0,01-0,5 мм. В качестве восстановительного газа используют коксовый газ с теплотой сгорания 16-18 МДж/Н*м. Железорудный концентрат посредством шнекового питателя подают из бункера для порошкообразной руды в подогреватель порошкообразной руды для предподогрева, затем посредством соответствующих питателей последовательно подают в кипящий слой секции предварительного восстановления и кипящий слой секции окончательного восстановления, каждый из которых состоит из последовательности пенного слоя и циркулирующего слоя. Наконец, железорудный концентрат в восстановленном виде посредством разгрузочного устройства (8) поступает в приемник (9) готового продукта. В стационарном режиме работы системы восстановления при температуре дымовых газов на впуске первого циклона-сепаратора 3-1 500°C, температуре восстановления в камере первого пенного слоя 650°C, температуре восстановления в стояке первого циркулирующего слоя 750°C и рабочей скорости движения газа 5 м/с, температуре восстановления в камере второго пенного слоя 850°C, температуре восстановления в стояке второго циркулирующего слоя 900°C и рабочей скорости движения газа 5 м/с, а также при средней продолжительности пребывания материала на каждой ступени кипящего слоя 30 мин, коэффициент металлизации железа в восстановленном продукте составил 87,21%. В стационарном режиме работы системы восстановления при температуре дымовых газов на впуске первого циклона-сепаратора 3-1 700°C, температуре восстановления в камере первого пенного слоя 750°C, температуре восстановления в стояке первого циркулирующего слоя 850°C и рабочей скорости движения газа 5 м/с, температуре восстановления в камере второго пенного слоя 890°C, температуре восстановления в стояке второго циркулирующего слоя 950°C и рабочей скорости движения газа 5 м/с, а также при средней продолжительности пребывания материала на каждой ступени кипящего слоя 30 мин, коэффициент металлизации железа в восстановленном продукте составил 91,15%. В стационарном режиме работы системы восстановления при температуре дымовых газов на впуске первого циклона-сепаратора 3-1 650°C, температуре восстановления в камере первого пенного слоя 700°C, температуре восстановления в стояке первого циркулирующего слоя 850°C и рабочей скорости движения газа 10 м/с, температуре восстановления в камере второго пенного слоя 860°C, температуре восстановления в стояке второго циркулирующего слоя 940°C и рабочей скорости движения газа 10 м/с, а также при средней продолжительности пребывания материала на каждой ступени кипящего слоя 30 мин, коэффициент металлизации железа в восстановленном продукте составил 94,32%.