СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF DIRECT METALS REDUCTION

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к производству заготовки посредством восстановления металлов, не обязательно только железа, из металлсодержащего оксидного сырья, такого как дисперсные руды, частично восстановленные руды, рудные концентраты и металлсодержащие оксидные отходы, газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда.
Как известно, способ, в котором железо производится путем восстановления железосодержащей руды, минуя доменное производство, классифицируется как "способ прямого восстановления". Способы прямого восстановления металлов и соответствующие устройства на основе дуговых разрядов описаны в известной технической литературе («Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева». Под ред. Свенчанского А.Д., М. Энергоиздат, 1981 г., с.251, 247). Обычно исходное сырье подают в разряд плазмообразующего газа, осуществляют плавление и восстановление сырья, разделяют конечный продукт на шлак и металл и выводят их из объема дуговой печи. Отходящие после восстановления газы дожигают, очищают, охлаждают и выбрасывают в атмосферу, а хладагенты охлаждают и возвращают для повторного использования.
При этом велики затраты энергии на нагрев газовой среды, значительная часть которой безвозвратно теряется, несмотря на попытки ее повторного использования (RU №2037524), охлаждающими агентами уносится существенная доля вводимой в процесс тепловой энергии и требуются большие расходы различных реагентов. Вследствие сложной инфраструктуры и широкого диапазона параметров энергоносителей практически невозможно организовать эффективную утилизацию вторичных энергоресурсов - энергии газа и хладагента.
В ряде случаев удается понизить затраты энергии и реагентов за счет точного выдерживания соотношения между количеством исходного сырья и реагентов, но тогда процесс становится многостадийным с соответствующим увеличением числа переделов, расхода энергии и удорожанием (RU №№2037524, 2213787, SU №1811539).
Известен способ прямого восстановления железа, согласно которому отходящий после реакции восстановления газ используют в газовой турбине для выработки электрической энергии (RU №2225452). По этому способу полученную энергию направляют в установку получения кислорода и обеспечения реакции кислорода с углеводородной средой для получения синтез-газа. Недостаток известного способа заключается в том, что полученная электроэнергия используется в процессе восстановления металла не непосредственно, а для производства кислорода и синтез-газа с соответственно низким КПД.
Все это не позволяет разработать экономичный дуговой восстановительный плазмохимический реактор с уровнем мощности, соответствующим требуемой производительности в металлургической промышленности.
Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является способ прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья, включающий предварительное восстановление исходной шихты, подачу частично восстановленной шихты вместе с легирующими присадками и восстановителем в дуговую электропечь, плавление и финишное ее восстановление, вывод готового продукта из электропечи и его сбор, охлаждение термически нагруженных частей электропечи и преобразование энергии отработанных реагентов в электрическую энергию, направляемую на поддержание дугового разряда («Развитие бескоксовой металлургии», под ред. Тулина Н.А., Майера К.М., Металлургия, 1987 г., с.77, 78). По этому способу предварительное восстановление мелкой руды (размер частиц руды не превышает 0,1 мм) осуществляют газифицированным мелким углем (менее 0,2 мм), а конечным продуктом процесса является чугун, для превращения которого в железо необходимы дополнительные переделы с соответствующими затратами. Отработанным реагентом, используемым для выработки электроэнергии, является отходящий из печи газ.
Предлагаемым изобретением решается техническая задача повышения экономичности процесса прямого восстановления железа.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в утилизации тепловой энергии хладагента и в использовании химической и тепловой энергии отработанного газа для предварительного восстановления шихты. Дополнительный результат заключается в использовании газа, отходящего после предварительного восстановления шихты, для создания рабочего тела паровой турбины высокого давления и для поддержания дугового разряда посредством преобразования его энергии в электрическую.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе прямого восстановления металлов из дисперсного рудного сырья, включающем предварительное восстановление исходной шихты, подачу частично восстановленной шихты вместе с легирующими присадками и восстановителем в дуговую электропечь, плавление и финишное ее восстановление, вывод готового продукта из электропечи и его сбор, охлаждение термически нагруженных частей электропечи, для восстановления используют природный газ, для предварительного восстановления шихты направляют отработанный после финишного восстановления газ, в качестве отработанных реагентов применяют газ, отходящий после предварительного восстановления шихты, и пар высоких энергетических параметров, получаемый в процессе отвода тепла от термически нагруженных узлов электропечи, который используют в качестве рабочего тела паровой турбины высокого давления электрогенератора, а электрическую энергию направляют на поддержание дугового разряда.
Кроме того, отходящий после предварительного восстановления газ, газы после промежуточных ступеней утилизации и восстановительный газ от источника природного газа используют для подогрева пара и/или питательной воды в паровом котле, а смесь газов подводят к газовой турбине электрогенератора.
Способ реализуется следующим образом. Шихту расплавляют и восстанавливают в дуговой электропечи, запуская процесс одним из известных способов, например, размещая «затравку» на средстве сбора готового продукта и возбуждая дуговой разряд в атмосфере природного газа, затем отработанный после финишного восстановления газ направляют для предварительного восстановления шихты, а процесс отвода тепла от термически нагруженных узлов электропечи используют для получения пара высоких энергетических параметров, который является по существу первым отработанным реагентом, используемым в настоящем изобретении и с помощью которого электрогенератором с паровой турбиной высокого давления вырабатывают электроэнергию, используемую для поддержания дугового разряда.
Природный газ подводят непосредственно в реакционный объем дуговой электропечи, предотвращая его пиролиз и избегая необходимости его предварительной конверсии, одним из способов, описанным в литературе (А.В.Николаев, А.А.Николаев. Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энергометаллургического комплекса. Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. 1999 г. с.276, 277, рис.1a, RU №2093585).
Отходящий газ в настоящем изобретении получают после пропускания отработанного газа через исходную шихту одновременно с ее частичным восстановлением. Этот газ по существу является другим отработанным реагентом и используется для получения пара высоких энергетических параметров в паровом котле и/или по аналогии с прототипом - для выработки электроэнергии в газовой турбине электрогенератора.
Предложено несколько вариантов получения пара высоких энергетических параметров и использования энергии отходящего после предварительного восстановления шихты газа.
В первом варианте пар высоких энергетических параметров образуют непосредственно в системе охлаждения термически нагруженных узлов электропечи путем задания соответствующих скорости движения хладагента и давления в системе. Дополнительно пар высоких энергетических параметров получают путем нагрева питательной воды в паровом котле сжиганием газа, отходящего после предварительного восстановления шихты.
Во втором и третьем вариантах изобретения пар высоких энергетических параметров получают из отведенного из системы охлаждения водяного пара низких энергетических параметров путем сжигания в паровом котле газа, отходящего после предварительного восстановления шихты, причем для более полного использования энергии газа в процессе нагрева водяного пара к нему предлагается добавлять питательную воду котла, или путем использования тепловой энергии отходящего газа в теплообменнике с получением дополнительного пара высоких энергетических параметров путем нагрева питательной воды парового котла сжиганием газа, отходящего от теплообменника.
В четвертом варианте изобретения в качестве хладагента в системе охлаждения электропечи применяют жидкий металл и пар высоких энергетических параметров получают путем передачи тепловой энергии жидкого металла питающей воде, подводимой к теплообменнику. Дополнительно пар высоких энергетических параметров получают путем нагрева питательной воды парового котла сжиганием газа, отходящего после предварительного восстановления шихты.
При необходимости увеличения мощности энергетической части процесса во всех вариантах к газу, отходящему после предварительного восстановления шихты, подмешивают природный газ.
В пятом варианте изобретения часть смеси, состоящей из газа, отходящего после реакции предварительного восстановления, и природного газа, подводят к газовой турбине электрогенератора. В этом варианте мощность энергетической части процесса ограничена только возможностями источника природного газа.
Применение пара высоких энергетических параметров в качестве рабочего тела паровой турбины высокого давления, соединенной с электрогенератором, позволяет с высокой эффективностью преобразовать тепловую энергию, накопленную в термически нагруженных узлах электропечи, в электрическую энергию на поддержание дугового разряда той же электропечи. Неизбежные потери энергии связаны с реальным КПД паровой турбины и электрогенератора, с теплоотдачей в окружающее пространство соединительных трубопроводов, которая может быть минимизирована при конструировании устройства, и выносом тепла водой после паровой турбины. Однако и эти потери можно существенно снизить путем повторного использования или реализации горячей воды сторонним потребителям.
Природный газ является одним из эффективных восстановителей и наиболее доступным. Способ плазменно-дугового восстановления металлов природным газом надежен в работе и позволяет создать простые по конструкции восстановительные печи, так как исключает подготовительные операции, необходимые при использовании, например, синтез-газа или угля. Возможность реализации восстановительной части предлагаемого способа была проверена при восстановлении дисперсной руды с использованием в качестве восстановителя метана (аналога природного газа). Был осуществлен непрерывный процесс восстановления при мощности дуги 70 кВт с получением железа в виде слитка диаметром 100 мм при содержании примесей в металле менее 0,5%.
3
Так как природный газ подают в количествах, превышающих стехиометрически необходимое для проведения финишного восстановления шихты в камере дуговой электропечи, то выходящий из камеры отработанный газ (точнее - смесь газов) обладает значительным восстановительным потенциалом и при этом сильно нагрет. Например, при восстановлении железорудного сырья метаном количество отходящего газа, состоящего из моно- и двуокиси углерода, метана, водорода и паров воды, составляет около 0,6 м/кг железа. Его температура составляет 500-700°С. Это обычно создает проблемы с его охлаждением и преобразованием в газы, допустимые для выброса в атмосферу. Использование отработанного газа для предварительного восстановления шихты, снижая остроту указанных проблем, подготавливает шихту к стадии финишного восстановления, одновременно уменьшая требуемое для ее проведения количество природного газа.
Таким образом, предлагаемым изобретением за счет применения природного газа в качестве восстановителя и производства пара высоких энергетических параметров удается наиболее полно решить задачу утилизации вторичных энергоресурсов - отработанного и отходящего газов и тепловой энергии хладагента. Конечным результатом является повышение экономичности процесса прямого восстановления железа.
Подключение газовой турбины электрогенератора к источнику смеси природного и отходящего газов и отведение отработанных газа и тепла сторонним потребителям позволяет не только замкнуть в пределах устройства процесс восстановления металла и все процессы его обеспечения, сделав устройство независимым от внешних источников электрической энергии, но и обеспечить электроэнергией, теплом и газом инфраструктуру производства.
Паром высоких энергетических параметров принято считать пар при давлении около 100 ата и выше и температуре около 500°С и выше (Дойников Н.М. и др. Машиноведение. Учебное пособие для студентов физ.-мат. факультетов педагогических факультетов. ГУ-ПИ. М., 1959 г., стр.126).