СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING MOLTEN MATERIAL

Изобретение относится к способу получения расплавленного металла, в котором кислород, восстановитель и железо, восстановленное в восстановительном реакторе, вводятся в расплавитель-газификатор, восстановитель газифицируется кислородом, а восстановленное железо расплавляется выделяющимся при этом теплом, причем купольный газ из расплавителя-газификатора используется как по меньшей мере часть восстановительного газа, и причем прореагировавший отходящий газ отводится из восстановительного реактора, а также к установке для осуществления способа с одним или несколькими восстановительными реакторами с подводом восстановительного газа, расплавителем-газификатором с подводом кислорода и системой подачи восстановителя с по меньшей мере одной линией проведения купольного газа из расплавителя-газификатора в восстановительный реактор и с по меньшей мере одной линией для выведения отходящего газа из восстановительного реактора.
2
2
2
2
В установках восстановительной плавки, какие описаны, например, в DE 3628102 A1, кислород при температуре 25°С и чистоте ≥95 об.%. вдувается через фурмы в газификатор-расплавитель, чтобы газифицировать восстановитель (преимущественно уголь и угольные брикеты) и дать тепло, необходимое для расплавления восстановленного железа. Купольный газ из расплавителя-газификатора (ESV) используется для непрямого восстановления в восстановительной шахте с неподвижным слоем (FBRS) или в реакторах кипящего слоя (WSR), после чего выводится как отходящий газ. Очищенный выводимый газ, который состоит из отходящего газа агрегата прямого восстановления и купольного газа расплавителя-газификатора, имеет следующий типичный состав при избыточном давлении 1,5 бар: СО 45 об.%, СО 30 об.%, H 19 об.%, HO 3 об.% и N 3 об.%. Из-за избытка газа он должен подаваться на утилизацию и оптимизацию полной энергии.
Однако большое количество физического тепла содержит не только отходящий газ или выводимый газ с установок восстановительной плавки (температуры отходящего газа составляют примерно 250°С-500°С), но также часть восстановительного газа, который не вводится в восстановительный реактор, а используется как избыточный газ для регулирования давления в установке и как охлаждающий газ. Температура восстановительного газа составляет примерно 700°С-900°С. Для применения выводимого газа на электростанциях (пароэлектростанции или парогазотурбинные электростанции) или для нужд металлургии (например, в установках восстановительной плавки) газ нужно очищать от содержащихся в нем загрязнений (пыль, смола). Для этого в настоящее время применяются в основном скрубберы, которые одновременно охлаждают газ до примерно 40-45°С и тем самым отбирают у газа подавляющую долю физического тепла. Тепло отводится технологической водой и через градирни отдается в окружающую среду.
Поэтому задачей настоящего изобретения было разработать способ или установку, какие описаны во введении, с повышенной эффективностью использования энергии и сырья.
Для решения этой задачи способ по изобретению отличается тем, что по меньшей мере часть тепловой энергии отходящего газа и/или части восстановительного газа, предусмотренной для применения в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, используется для непрямого нагрева по меньшей мере одного другого газа, применяющегося в способе.
Согласно первому варианту способа по изобретению предусмотрено возвращать в восстановительный реактор по меньшей мере часть отходящего газа после по меньшей мере одного охлаждения или очистки и теплообмена с горячим технологическим газом. Благодаря нагреву рециркулирующего газа после теплообмена с отходящим газом или с охлаждающим газом с примерно 40°С до 400°С можно возвратить большее количество этих газов выше восстановительной шахты и использовать как восстановительный газ, без необходимости встраивания печи для нагрева восстановительного газа.
Согласно одному возможному варианту способа по изобретению предусматривается проводить очистку с помощью мокрой промывки. Это позволяет провести одновременное охлаждение и очистку.
Для этого предпочтительно предусматривается добавлять возвращенный нагретый отходящий газ в купольный газ и вместе с ним подавать в восстановительный реактор, причем компоненты в виде твердых частиц предпочтительно отделяют от газовой смеси перед вводом в восстановительный реактор.
2
Согласно следующему варианту способа по изобретению можно по меньшей мере часть отходящего газа после по меньшей мере одного охлаждения или очистки и теплообмена с отходящим газом и/или по меньшей мере часть части восстановительного газа, предусмотренной для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, вводить в расплавитель-газификатор. Благодаря нагреву возвращаемого в расплавитель-газификатор газа возможны более высокие скорости вдувания отходящего газа, продуктового газа, возвращаемого из установки удаления CO (например, установка КЦА, установка промывки растворами амина, Бенфилд-промыватель и т.д.), введения угольной мелочи или синтетических материалов и т.д., так как нагревание является компенсацией для снижающейся из-за нагнетания адиабатической температуры воспламенения (RAFT).
Во всех случаях возвращенный отходящий газ перед теплообменом предпочтительно сжимают и/или снижают содержание в нем диоксида углерода, предпочтительно до 2-3 об.%, после охлаждения предпочтительно до 30-50°С.
2
Следующий вариант способа отличается согласно изобретению тем, что тепловая энергия отходящего газа и/или части восстановительного газа, предусмотренной для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, применяется для нагрева кислорода для расплавителя-газификатора. Тепло, выделившееся при газификации кислородом угля, угольных брикетов и при необходимости кокса, необходимо для обжига присадок, для нагрева неподвижного слоя в расплавителе-газификаторе (уголь, угольные брикеты, DRI, добавки) и для расплавления DRI. Вследствие повышенной температуры кислорода, который нагнетается в расплавитель-газификатор через фурмы или через пылеугольные горелки, снижается расход восстановителя и тем самым получается экономия угля и угольных брикетов как восстановителя. Кроме того, можно также снизить количество кислорода. Благодаря предварительному нагреву кислорода возможны также более высокие скорости введения отходящего газа, продуктового газа, возвращаемого с установки удаления СО, введения угольной мелочи или синтетических материалов и т.д., и в комбинации с возвращением нагретого отходящего газа или полученного из него продуктового газа в расплавитель-газификатор можно максимально повысить количество рециркулирующего отходящего газа, соответственно продуктового газа, и т.д.
2
При этом из соображений безопасности предусматривается также, чтобы теплообмен между отходящим газом и/или частью восстановительного газа, предусмотренной для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, и кислородом проходил через теплообменную среду и в два процесса теплообмена. При этом предпочтительно применяется сбросный N или водяной пар.
После теплообмена с кислородом теплообменную среду можно с выгодой использовать, при необходимости вместе с частью потока неохлажденной теплообменной среды, для подогрева необходимого в процессе горючего газа.
При необходимости можно также предусмотреть, чтобы тепловая энергия отходящего газа и/или части восстановительного газа, предусмотренной для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, использовалась для создания пара.
При этом тепловая энергия пара предпочтительно применяется для нагрева кислорода для расплавителя-газификатора.
Описанная в начале установка для решения поставленной задачи отличается согласно изобретению по меньшей мере одним теплообменником в линии отведения отходящего газа и/или в системе охлаждающего газа и избыточного газа, причем через этот теплообменник протекает по меньшей мере один другой применяющийся в процессе газ.
При этом под системой охлаждающего газа и избыточного газа понимается система труб, через которые течет часть восстановительного газа, предусмотренная для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, после ее отделения от потока восстановительного газа, проводимого в восстановительный реактор.
Согласно одной возможной форме осуществления изобретения очистной агрегат выполнен как скруббер, так что можно одновременно проводить охлаждение и очистку.
Чтобы предотвратить отложение пыли в теплообменнике, предпочтительно предусматривается, чтобы теплообменник или каждый теплообменник был выполнен так трубчатый теплообменник или как кожухотрубный теплообменник и чтобы отходящий газ протекал через него сверху вниз.
Согласно следующей форме осуществления изобретения после агрегата охлаждения и очистки отходящего газа выходит линия возврата отходящего газа, которая ведет в теплообменник, и из теплообменника возвратная линия ведет дальше в восстановительный реактор. Тем самым можно также без дополнительной печи для нагрева восстановительного газа возвращать большое количество газа в качестве восстановительного газа.
При этом предпочтительно предусматривается, чтобы возвратная линия от теплообменника заканчивалась в соединительную линию для купольного газа между расплавителем-газификатором и восстановительным реактором, предпочтительно до возможного отделителя частиц.
Следующая форма осуществления изобретения отличается тем, что после агрегата охлаждения и очистки отходит линия возврата отходящего газа, которая ведет в теплообменник, и тем, что от теплообменника возвратная линия идет дальше к расплавителю-газификатору и до конца линии подачи кислорода предпочтительно идет параллельно ей.
Максимально возможная гибкость регулирования технологических параметров или влияния на них в сочетании с соответствующей максимально возможной рекуперацией энергии гарантируется в одной выгодной форме осуществления установки, в которой перед теплообменником установлен компрессор, при необходимости также охлаждающее устройство и ступень восстановления диоксида углерода, причем выход компрессора и выход ступени восстановления диоксида углерода ведут в общую линию питания к теплообменнику.
Чтобы рекуперированную тепловую энергию можно было использовать также с максимально возможной надежностью для нагрева кислорода для расплавителя-газификатора, установка предпочтительно выполнена так, чтобы в линии подачи кислорода в расплавитель-газификатор был установлен дополнительный теплообменник, который вместе с по меньшей мере одним теплообменником, через который протекает отходящий газ и/или часть восстановительного газа, предусмотренная для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, образует контур, через который течет теплоноситель, предпочтительно в жидкой и/или паровой форме.
При этом для оптимального использования энергии в процессе можно предусмотреть, чтобы в контуре теплоносителя был установлен по меньшей мере один следующий теплообменник для по меньшей мере одного применяющегося в процессе горючего газа.
В последующем описании изобретение будет более подробно пояснено на одном предпочтительном примере осуществления с обращением к приложенному чертежу.
В восстановительную шахту 1 (восстановительный реактор) подают железную руду кусками или в виде окатышей, при необходимости с необожженными присадками. Через разгрузочное устройство 2 образованное в восстановительной шахте 1 губчатое железо и частично обожженные (кальцинированные) присадки вводятся вверх расплавителя-газификатора. 3. Внизу расплавителя-газификатора 3 собирается жидкий чугун и на нем жидкий шлак, которые предпочтительно порциями отводятся через выпуски. Из запасной шахты 4 в расплавитель-газификатор 3 подводится средство газификации, предпочтительно уголь и/или угольные брикеты, при необходимости смешанные с просеянным нижним продуктом железной руды, который иначе нельзя было бы использовать для восстановительного процесса. В нижнюю часть расплавителя-газификатора 3 по линии 5 подачи газа подводится кислородсодержащий газ.
Образованный восстановительный газ по линии 6 выводится с верха расплавителя-газификатора 3, в циклоне 7 горячего газа освобождается от твердых компонентов, в частности от пыли и мелкодисперсного пиролизованного угля, и по линии 8 поступает в восстановительную шахту 1. В ней восстановительный газ протекает в противотоке через засыпку железной руды и присадок, при этом восстанавливая железную руду до губчатого железа и частично кальцинируя присадки.
Отделенная в циклоне 7 горячего газа пиролизованная угольная пыль и другие компоненты в виде твердых частиц возвращаются в расплавитель-газификатор 3, и при входе в него через расположенную в стенке расплавителя-газификатора 3 пылеугольную горелку, куда также подается кислородсодержащий газ, предпочтительно газифицируются.
По меньшей мере частично израсходованный восстановительный газ выводится сверху восстановительной шахты 1 через линию 9 купольного газа 9 и после промывки в скруббере 10 как выводимый газ из-за избытка в нем газа подается на утилизацию и оптимизацию всей энергии. Часть восстановительного газа используется для регулирования давления в установке и в качестве охлаждающего газа. Эта часть восстановительного газа отделяется по линии 23 от идущего в восстановительную шахту 1 потока восстановительного газа. Тем самым линия 23 является первой частью системы охлаждающего газа и избыточного газа. Восстановительный газ, использующийся для регулирования давления в установке, называемый избыточным газом, после агрегата 11 охлаждения и очистки добавляется в выводимый газ. Восстановительный газ, использующийся как охлаждающий газ, после агрегата 11 охлаждения и очистки и сжатия в компрессоре 24 возвращается по линии 12 в линию 6 выше циклона 7 для горячих газов.
Чтобы теперь выводимый газ оптимальным с точки зрения энергии способом можно было сделать полезным для самого процесса и предпочтительно использовать как по меньшей мере часть требующегося в восстановительной шахте 1 восстановительного газа, по меньшей мере часть выводимого газа отводится за очистным агрегатом 10 по линии 13 и сжимается в компрессоре 14 с максимально возможным давлением всасывания. При необходимости можно также отводить избыточный газ за агрегатом 11 охлаждения и очистки по другой линии уже до добавления в выводимый газ и возвращать.
Возвращенный выводимый газ нагревается с использованием энергосодержания отходящего газа, отведенного непосредственно из восстановительной шахты 1 и имеющего температуру примерно от 250°С до 500°С, от температуры примерно 40°С после агрегата охлаждения и очистки до примерно 400°С. Для этого в линии 9 отходящего газа еще до очистного агрегата 10 установлен теплообменник 15, через который протекает также часть выводимого газа, отведенная по линии 13. Нагретый выводимый газ после прохождения через теплообменник 15 подается в линию 6 для купольного газа расплавителя-газификатора 3, еще до циклона 7 горячих газов. Улучшенный таким образом процесс имеет повышенную эффективность использования энергии благодаря снижению количества технологической воды, требующейся для охлаждения отходящего газа, что означает, кроме того, также уменьшение расхода энергии на перекачку технологической воды. Также снижается тепло, отводимое от отходящего газа в технологическую воду, которое теряется через градирни или из-за испарения вызывает потери воды в системе, которые нужно постоянно компенсировать.
2
2
2
2
При необходимости можно по меньшей мере часть отводимого по линии 13 выводимого газа после промежуточного охлаждения до 30-50°С в охладителе 16 и снижения содержания СО до 2-3 об.% в установке 17 удаления СО подавать в теплообменник 15. Охлажденный газ со сниженным содержанием CO можно также, что позволяет точная установка температуры и/или содержания CO в возвращенном газе, смешивать с необработанным возвращаемым газом перед входом в теплообменник 15.
Возвращенный отходящий газ после прохождения через теплообменник 15 можно вводить также в расплавитель-газификатор 3, предпочтительно через входящую в кислородные форсунки фурму, причем возвратная линия для отходящего газа до окончания в линию подачи кислорода идет параллельно ей. В этом случае возвращенный отходящий газ не должен нагреваться печью для восстановительного газа, электрическим нагревом или плазменной горелкой с использованием внешней энергии, но используется тепловая энергия отходящего газа перед очистным агрегатом 10. Тем самым получаются уже упомянутые преимущества повышения эффективности использования энергии процесса, меньшее количество технологической воды, требуемой для охлаждения отходящего газа, уменьшение расхода энергии на перекачку технологической воды и снижение тепла, отводимого от отходящего газа в технологическую воду, которое теряется через градирни или из-за испарения вызывает потери воды в системе.
2
2
Альтернативно или же дополнительно к описанному теплообменнику 15 для возвращенного выводимого газа в линии 9 отходящего газа еще до очистного агрегата 10 можно установить теплообменник 18, через который течет среда-теплоноситель, например сбросный N. Теплообменник 18 вместе с другим теплообменником 19 образует контур для среды-теплоносителя. Через теплообменник 19 предпочтительно течет газ, подводимый в расплавитель-газификатор 3, предпочтительно вдуваемый кислород, причем этот газ тем самым нагревается косвенно и с максимально возможной безопасностью теплосодержанием отходящего газа благодаря неактивному сочетанию, например, кислорода с теплопередающей средой. Благодаря повышенной температуре кислорода, вводимого в расплавитель-газификатор через фурмы или через пылеугольную горелку, получается снижение расхода восстановителя и тем самым экономия угля и угольных брикетов как восстановителя, так как это тепло можно заменить по меньшей мере частью тепла, выделяющегося при газификации кислородом угля, угольных брикетов и при необходимости кокса, которое требуется для кальцинирования присадок, для нагрева неподвижного слоя в расплавителе-газификаторе (уголь, угольные брикеты, DRI, добавки) и для расплавления DRI. Кроме того, можно также снизить количество кислорода. Благодаря предварительному нагреву кислорода становятся возможными также более высокие скорости нагнетания отходящего газа, рециркулирующего продуктового газа из установки удаления СО, введения угольной мелочи или синтетических материалов и т.д., и в комбинации с возвращением нагретого отходящего газа в расплавитель-газификатор можно максимально повысить количество рециркулирующего отходящего газа или газа-продукта КЦА или можно максимально повысить скорость его нагнетания.
2
Альтернативно или дополнительно можно в контуре теплообменника 18 и протекающего через него теплоносителя, который поглощает энергию отходящего газа, установить теплообменник 20, в котором воздух для сжигания или сушильная среда, например воздух, N, отходящие газы и т.п., нагреваются для сушки руды и/или угля. Тем самым здесь можно также сэкономить топливо.
Наконец, как альтернативная форма реализации установки допустимо также альтернативное или дополнительное размещение теплообменника 21, через который в качестве теплоносителя течет пар. В этом случае аналогично тому, как описано выше, теплообменник 21 вместе со следующим теплообменником 22 образует контур, причем здесь также через теплообменник 22 предпочтительно течет газ, подаваемый в расплавитель-газификатор 3.
В частности, теплообменники 15, 18 или 21, через которые течет отходящий газ, выполнены предпочтительно как трубчатые или кожухотрубные теплообменники, причем отходящий газ, конечно, еще неочищенный перед очистным агрегатом 10, течет в вертикальном направлении сверху вниз, чтобы предотвратить отложение пыли.
Вместо линии 9 для отводимого из восстановительной шахты 1 отходящего газа можно теплообменники 15, 18 или 21 или дополнительный теплообменник установить также в систему охлаждающего газа и избыточного газа, которая отличается несколько меньшим количеством газов, однако имеющих более высокую температуру, примерно 750°С-850°С. При этом предпочтительным является размещение одного или нескольких теплообменников в линии 23 восстановительного газа между очистным агрегатом 11 и ответвлением от линии 8 (газ в восстановительную шахту 1), причем здесь из-за высоких температур текущей в этой линии части восстановительного газа, предусмотренной для использования в качестве охлаждающего газа и избыточного газа, несмотря на теплообмен можно обеспечить температуры восстановительного газа в области примерно 400°С, правда, также достаточная тепловая энергия должна переноситься на другие требующие нагрева технологические газы. При этом можно как в системе отходящего газа, так и в системе охлаждающего газа и избыточного газа предусмотреть обходную линию вокруг теплообменников 15, 18, 21.