СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR DIRECT RESTORATION OF METAL-CONTAINING MATERIAL

Изобретение относится к металлургической отрасли и может быть использовано в процессе получения металлов из их окислов путем восстановления восстановительным газом, полученным внутрислоевой конверсией с применением индукционного нагрева.
Известный способ прямого восстановления металлосодержащего материала восстановительным газом в зависимости от печного агрегата делится на несколько направлений, как то восстановление в трубчатых вращающихся печах, кипящем слое, шахтных печах. Особого внимания заслуживает способ прямого восстановления окислов металлов в шахтных печах. Объясняется это непрерывностью процесса, при высокой удельной производительности и относительно низкой энергоемкости. При этом в шахтной печи осуществляется нагрев и прямое восстановление окислов металлов восстановительным газом, полученным путем конверсии смеси природного газа и колошникового в конверторе, размещенном вне шахтной печи, при температуре 1000-1100°C, которая достигается путем сжигания смеси природного и части колошникового газов (с.391-393 в книге Б.И. Бондаренко и др. Теория и технология бескоксовой металлургии. Киев, изд-во «Наукова Думка», 2003). Полученное таким образом восстановительным газом тепло заносится во внутреннюю полость шахтной печи, в результате чего происходит нагрев окислов металлов, подлежащих восстановлению. При этом расходуется около 70% их очищенного колошникового газа. Для охлаждения свежевосстановленного металла применяется смесь восстановительного и дымовых газов, которая, пройдя зону охлаждения, в смеси с природным газом поступает в восстановительную зону, где подвергается конверсии на свежевосстановленном железе (с.409-410 в книге Б.И. Бондаренко и др.). Таким образом в приведенном процессе наблюдается внутрислоевая конверсия, но только в зоне восстановления, которая обогревается теплом, выносимым восстановительным газом, нагретым вне печи.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ прямого восстановления окислов металла (железа) (с.426-429 в книге Б.И. Бондаренко и др.), при котором внутрислоевая конверсия осуществляется во внутренней полости шахтной печи, в зоне внутрислоевой конверсии. В печи имеются зоны подогрева, восстановления, внутрислоевой конверсии, карбюризации и охлаждения, в которых происходят соответствующие технологические операции. Для запуска производственного процесса используется пусковой восстановительный газ, произведенный и нагретый в пусковом конверторе, который расположен вне печи. При достижении в зоне внутрислоевой конверсии необходимого для процесса конверсии уровня температуры, подается подлежащая конверсии газовая смесь, которая конверсируется в восстановительный газ. Эта смесь нагревается в теплообменнике, расположенном вне печи. Количество тепла, уносимого, в шахтную печь этой смесью, должно обеспечить осуществление всех технологических операций в печи.
Данный способ дает возможность использовать свежевосстановленное железо в качестве катализатора конверсии и позволяет объединить подогрев, восстановление, конверсию и охлаждение в одной стадии. Но при этом не решается проблема ввода в печь такого количества тепла, которое необходимо для осуществления всех технологических операций, осуществляющихся при различных температурах. Причиной этого явления является то, что теплоносителем является или восстановительный газ или газовая смесь, предназначенная для конверсии. В итоге процесс не стабилен, не контролируемый и высокоэнергоемкий.
Технической задачей изобретения является создание условий подачи в шахтную печь необходимого количества тепла, которое позволит осуществить внутрислоевую конверсию и поддерживать стабильно температурный режим во всех технологических зонах, независимо от их объемов и разности в рабочих температурах при минимальном расходе природного горючего газа. Техническим результатом изобретения является получение качественного металла, при этом, используя как можно шире его каталитические свойства, можно производить товарный горючий газ при значительном снижении уровня загрязнения окружающей среды за счет уменьшения количества парниковых газов.
Заявленный технический результат достигается тем, что в зонах карбюризации, внутрислоевой конверсии и восстановления шахтной печи стабилизируют и поддерживают температурный режим автономно путем нагрева индукторами, при этом в зону внутрислоевой конверсии подают холодную газовую смесь, предназначенную для конверсии, с образованием восстановительного газа, температуру которого на выходе из зоны внутрислоевой конверсии понижают путем введения холодного восстановительного газа из газгольдера, а восстановленный металл на выходе из зоны внутрислоевой конверсии обдувают упомянутой газовой смесью, в которой для конверсии используют двуокись углерода, очищенную и извлеченную из отработанного газа собственного процесса и из других технологических процессов при сжигании топлива.
Изобретением предусматривается подача металлосодержащего материала в составе шихты в зону подогрева шахтной печи, где осуществляется его подогрев теплом, уносимым отработанным газом из зоны восстановления. Подогретый металлосодержащий материал поступает в зону восстановления, где нагревается теплом, уносимым восстановительным газом из зоны внутрислоевой конверсии. В зоне восстановления рабочая температура, при которой происходит процесс восстановления, стабильно поддерживается индуктором. При необходимости понижения температуры в зону восстановления подается через фурменный пояс холодный восстановительный газ из газгольдера. Восстановление металла, например железа, происходит по реакции:
3
4
2
2
FeO+4H=3Fe+4HO или
3
4
2
FeO+4CO=3Fe+4CO
Водород или окись углерода поступают в зону восстановления из зоны внутрислоевой конверсии, в которой в присутствии свежевосстановленного металла, как катализатора, поступившего из зоны восстановления происходит следующая реакция:
4
2
2
CH+CO=2CO+2H или
2
C+CO=2CO
4
2
2
CH+HO=CO+3H
2
2
C+HO=CO+H
Необходимая рабочая температура в зоне внутрислоевой конверсии достигается и поддерживается индуктором. Газовая смесь, предназначенная для конверсии, состоящая из природного горючего газа, двуокиси углерода и (или) водяного пара в заданном стехиометрическом соотношении поступает в зону внутрислоевой конверсии через фурменный пояс. Углерод в зону конверсии поступает в виде угля или кокса как составляющая часть шихты. На выходе из зоны внутрислоевой конверсии в зону карбюризации температура свежевосстановленного металла, при необходимости, охлаждается до рабочего уровня смесью, предназначенной для конверсии, которая подается через фурменный пояс, путем увеличения количества ее подачи. Рабочая температура в зоне карбюризации поддерживается индуктором. Карбюризация осуществляется в среде природного горючего газа, который подается в зону карбюризации по системе газовой разводки. Четкого разграничения между зонами не существует. Например, конверсия может осуществляться в нижней части зоны восстановления, а отдельные окислы восстанавливаются в верхней части зоны внутрислоевой конверсии. Обогрев реакционной зоны аппарата десульфурации, размещенного вне шахтной печи, осуществляется индукционным током.
Количество двуокиси углерода, образующейся в настоящем процессе недостаточно, чтобы максимально использовать каталитические свойства свежевосстановленного металла. Для повышения эффективности процесса двуокись углерода заимствуется из других технологических процессов, например, доменного процесса или других, в технологическом процессе которых образуется двуокись углерода, что даст возможность в зоне внутрислоевой конверсии увеличить количество производимого восстановительного газа, т.е. горючего газа, состоящего из окиси углерода, водорода и минимальной части непрореагировавшего природного горючего газа, а также незначительной части примеси серы.
Использование предлагаемого способа прямого восстановления металлосодержащего материала позволит снизить расход природного горючего газа, достигнуть стабильности технологического процесса бескоксовой металлургии. При этом повысятся экономические показатели процесса и улучшится состояние окружающей среды за счет исключения выбросов двуокиси углерода. Металлургические предприятия получат возможность производить дополнительную продукцию - горючий газ, при этом предприятие из потребителя горючего газа может превратиться в его производителя.