УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА И СИНТЕЗ-ГАЗА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА И СИНТЕЗ-ГАЗА В ЭТОМ УСТРОЙСТВЕ
DEVICE TO PRODUCE MOLTEN METAL AND SYNTHESIS GAS AND METHOD TO PRODUCE MOLTEN METAL AND SYNTHESIS GAS IN THIS DEVICE

Изобретение относится к получению расплавленных железосодержащих материалов из руд, гранулированных концентратов, «хвостов» от обогащения руд и других подобных материалов с использованием синтеза-газа.
2
2
2
2
2
2
Синтез-газ - это смесь газов, содержащая газы с восстановительными свойствами (СО+Н) и газы с окислительными свойствами (CO+НО). Качество синтез-газа определяется отношением (СО+Н)/(CO+НО) и может колебаться от 1 до 16 и больше.
2
Известен способ получения расплавленных железосодержащих материалов из тонкоразмолотых руд (патент SU 1674694). Способ по этому патенту включает стадию смешивания тонкоизмельченной окиси железа или железной руды с мелко тонкоизмельченным углем и связкой для получения смеси, компактирование полученной смеси окатыванием, подачу окатышей в печь с вращающимся подом для предварительного восстановления железа, подачу предварительно восстановленных окатышей в плавильную печь с восстановительной атмосферой, подачу размолотого углеродсодержащего топлива и кислорода в плавильную печь с восстановительной атмосферой через нижнюю часть печи для реакции с расплавом, восстановление окислов железа до элементарного железа и выделение газов, имеющих в своем составе СО и Н, подачу этих газов в печь с вращающимся подом в качестве технологического газа для предварительного восстановления в ней окатышей и последующую выгрузку жидкого металла из плавильной печи с восстановительной атмосферой. Предварительно восстановленные окатыши загружают из печи с вращающимся подом в плавильную печь с восстановительной атмосферой при температуре по крайней мере 1000°С для получения продукции - расплава чугуна.
Этот способ довольно сложный, требует построения нескольких металлургических агрегатов с разными технологическими процессами и соединительного оборудования, которое приводит к значительным потерям тепла и снижает эффективность способа.
Известен способ получения расплавленного металла в устройстве, содержащем верхнюю и нижнюю камеры и средства, которые их разделяют (патент SU 938747). Способ включает подачу в верхнюю камеру устройства окатышей или брикетов, содержащих окислы металлов, и вместе с ними угля и извести, подачу в нижнюю камеру в потоке газа-носителя размолотого угля, подачу в нижнюю камеру кислорода, разжигание угля и разогрев камеры для газификации угля с образованием синтез-газа, подачу в нижнюю камеру воды, направление синтез-газа в верхнюю камеру для восстановления металлов из окислов металлов, расплавление окатышей или брикетов, сбор образовавшихся расплавленного металла и шлака в нижней части нижней камеры, выгрузку их по мере накопления и отвод синтез-газа из верхней части верхней камеры.
Способ предусматривает введение в нижнюю камеру воды для охлаждения образующегося в этой камере синтез-газа до 1200°С. Способ предусматривает также подачу синтез-газа из нижней камеры в верхнюю через специальный трубопровод, находящийся вне границ устройства, и охлаждение синтез-газа до 815°С.
Для осуществления этого способа служит устройство, включающее верхнюю и нижнюю камеры, средства, разделяющие верхнюю и нижнюю камеры, средства для подачи в верхнюю камеру окатышей или брикетов, содержащих окислы металлов, а также угля и извести, средства для подачи в нижнюю камеру в потоке газа-носителя размолотого угля, средства для подачи в нижнюю камеру кислорода, средства для сбора и выгрузки из нижней части нижней камеры расплавленного металла и шлаков и средства для отвода с верхней части верхней камеры синтез-газа.
В одном варианте средства, которые разделяют верхнюю и нижнюю камеры, выполнены в виде уплотнительной камеры и камеры с ленточным транспортером, в другом варианте эти средства выполнены в виде разгрузочного фидера. Нижняя камера содержит форсунки для впрыскивания воды. Нижняя и верхняя камеры соединены трубопроводом для подачи из нижней камеры в верхнюю синтеза-газа.
Основной задачей описанных способов и устройств является получение расплавленного металла. Синтез-газ, который отслужил как восстановитель для получения расплавленного металла и отбирается из верхней камеры, также используется, но он имеет низкое качество: в таблице 1 патента SU 938747 указано качество синтез-газа, равное 1,4.
В основу изобретения поставлена задача разработать устройство для получения расплавленного металла и синтез-газа и способ получения расплавленного металла и синтез-газа в этом устройстве, которые обеспечивают получение синтез-газа высокого качества из недорогого сырья.
В устройстве для осуществления способа, включающем верхнюю и нижнюю камеры, средства, разделяющие верхнюю и нижнюю камеры, средства для подачи в верхнюю камеру окатышей или брикетов, содержащих, окислы металлов, а также угля и извести, средства для подачи в нижнюю камеру в потоке газа-носителя размолотого угля, средства для подачи в нижнюю камеру кислорода, средства для сбора и выгрузки из нижней части нижней камеры расплавленного металла и шлака и средства для отвода с верхней части верхней камеры синтез-газа, согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что средство, разделяющее верхнюю и нижнюю камеры, представляет собой размещенную в нижней части верхней камеры колосниковую решетку, в центре которой установлен грибовидный элемент, головка которого расположена над колосниковой решеткой, а ее края не доходят до боковых стенок верхней камеры, в боковых стенках верхней камеры расположена система испарительного охлаждения, соединенная со средствами для подачи в нее воды и со средствами для подачи из нее пара в верхнюю и нижнюю камеры, а средства для отвода из верхней части верхней камеры синтез-газа соединены трубопроводом с нижней камерой для подачи в нее части синтез-газа, который отводится вместе с выносом в виде твердых частичек угля.
Предпочтительно, чтобы средства для подачи в потоке газа-носителя размолотого угля и средства для подачи кислорода были выполнены в виде фурм первого яруса нижней камеры.
Предпочтительно, чтобы трубопровод для подачи в нижнюю камеру части синтез-газа, который отводится вместе с выносом в виде твердых частичек угля, был соединен с расположенными над фурмами первого яруса фурмами второго яруса.
Предпочтительно, чтобы средства для подачи пара в нижнюю камеру были расположены над фурмами второго яруса и представляли собой форсунки, расположенные по касательной к стенкам нижней камеры, и были направлены в сторону колосниковой решетки для обеспечения турбулизации восходящего потока газов.
В зависимости от назначения синтез-газа средства для отвода синтез-газа могут иметь систему очистки от твердых частичек, систему очистки от серы и систему очистки от других вредных примесей.
Для удобства эксплуатации устройства верхняя камера может быть установлена на опорном кольце, которое опирается на колоны, а нижняя камера - на катках с возможностью вывода ее из-под опорного кольца.
В способе получения расплавленного металла и синтез-газа, реализуемом в указанном устройстве, включающем подачу в верхнюю камеру устройства окатышей или брикетов, содержащих окислы металлов, и вместе с ними угля и извести, подачу в нижнюю камеру в потоке газа-носителя размолотого угля, подачу в нижнюю камеру кислорода, разжигание угля и разогрев камеры для газификации угля с образованием синтез-газа, подачу в нижнюю камеру воды, направление синтез-газа в верхнюю камеру для восстановления металлов из окислов металлов, расплавление окатышей или брикетов, сбор образовавшихся расплавленного металла и шлака в нижней части нижней камеры, выгрузку их по мере накопления и отвод синтез-газа из верхней части верхней камеры, согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в окатышах или брикетах используют окислы металлов с высокой химической активностью относительно углерода, синтез-газ направляют из нижней в верхнюю камеру через средства, которые их разделяют, воду подают в нижнюю камеру в виде пара, пар подают также в верхнюю камеру, часть синтез-газа, который отводят из верхней части верхней камеры, направляют в нижнюю камеру, а часть подают на очистку.
2
3
3
4
2
2
3
Предпочтительно в окатышах или брикетах использовать окислы металлов, выбранные из группы, включающей FeO, FeO, FeO, SiO, NiO; CrO, MgO, а в качестве топлива использовать в брикетах бурый уголь.
Отличие заявленного устройства и, соответственно, способа от известных заключается в том, что синтез-газ, образующийся в нижней камере, поступает в верхнюю камеру не через трубопровод, который находится вне границ устройства, а через средства, которые разделяют нижнюю и верхнюю камеры. Этот синтез-газ не охлаждают, что обеспечивает расплавление брикетов уже в верхней камере и образование в ней шлака. В известных способах воду подают в нижнюю камеру для охлаждения синтеза-газа. В заявляемом способе используют не воду, а пар, который подается в обе камеры. Пар не охлаждает газ, а принимает участие в химических реакциях, которые происходят в камерах. Использование в окатышах или брикетах окислов металлов с высокой химической активностью относительно углерода обеспечивает каталитическую безостаточную газификацию твердого топлива. При этом в способе может использоваться недорогое топливо - бурый уголь. В качестве источника окислов металлов с высокой химической активностью могут использоваться хромитовые руды, являющиеся также недорогим сырьем, а дополнительным источником железа и кремния могут быть примеси, практически всегда присутствующие в буром угле. Объединение всех этих факторов позволяет получать из недорогого сырья синтез-газ с качеством 15 единиц и даже больше, а в качестве побочного продукта ферросплавы и шлаки.
Далее заявленное изобретение описано со ссылками на чертеж, на котором показано устройство для осуществления способа.
Устройство для получения расплавленного металла и синтез-газа содержит вертикально направленную шахту, выложенную огнеупорным кирпичом и размещенную в металлическом кожухе. Шахта имеет нижнюю камеру 1 и верхнюю камеру 2. Верхняя камера 2 установлена на опорном кольце 3, которое опирается на колоны 4. Нижняя камера 1 расположена под опорным кольцом 3 и установлена на катках 5, что при необходимости позволяет выводить ее из-под опорного кольца 3 для ремонта и даже замены. Нижняя камера 1 имеет фурмы 6 первого яруса, с помощью которых в камеру 1 в среде несущего газа вдувается измельченный уголь. Фурмы 6 имеют трубки (не показаны) для подачи кислорода.
Над верхней камерой 2 размещен засыпной аппарат 7, из которого в верхнюю камеру загружают окатыши или топливные брикеты. Нижнюю камеру 1 и верхнюю камеру 2 разделяет колосниковая решетка 8, выполненная в нижней части верхней камеры. В центре колосниковой решетки установлен грибовидный элемент 9, головка которого расположена над колосниковой решеткой, а ее края не доходят до боковых стенок верхней камеры.
В верхней части верхней камеры 2 расположены средства для отвода синтез-газа в виде газосборника 10 и соединенного с ним трубопровода 11. От трубопровода 11 отходит трубопровод 12, соединенный с расположенными над фурмами 6 первого яруса фурмами 13 второго яруса. Трубопровод 12 служит для подачи в нижнюю камеру 1 части синтез-газа, который отводится из верхней части верхней камеры 2 вместе с выносом в виде твердых частичек угля. Фурмы 13 второго яруса, как и фурмы 6 первого яруса, имеют трубки (не показаны) для подачи кислорода. При необходимости фурмы 13 могут служить для поддержания необходимой температуры в случае перерыва в подаче размолотого угля.
В боковых стенках верхней камеры 2 находится система испарительного охлаждения 14, соединенная со средствами 15 для подачи в нее воды. Она выполняет не только обычную функцию - охлаждение стенок верхней камеры, но и соединена с форсунками 16 для подачи из нее пары в нижнюю камеру 1 и с форсунками 17 для подачи из нее пара в верхнюю камеру 2. Форсунки 16 для подачи пара в нижнюю камеру 1 расположены над фурмами 13 второго яруса по касательной к стенкам нижней камеры и направлены в сторону колосниковой решетки 8 для обеспечения турбулизации восходящего потока газов.
В трубопроводе 11 отбора синтез-газа в направлении движения синтез-газа размещена система очистки от твердых частичек 18, соединенная с трубопроводом 12, за ней - система очистки от серы 19 и система очистки от других вредных примесей 20.
В нижней части нижней камеры 1 расположены средства 21 для выгрузки из нижней камеры 1 расплавленного шлака и средства 22 для выгрузки жидкого металла (ферросплава).
Заявленное устройство работает следующим образом.
В верхнюю камеру 2 подают, например, брикеты, содержащие, мас.%:
бурый уголь
50-88
по крайней мере один из
окислов металлов - FeO, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, SiO<sub>2</sub>, Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, MgO
8-28
известь
3-10
сопутствующие примеси и связующие материалы
остальное
(заявка UA № u 201002584 на полезную модель).
В нижнюю камеру 1 через фурмы первого яруса 6 подают молотый уголь в среде газа-носителя (которым может служить, например, углекислый газ, азот, или другой газ), смешивают их с кислородом и разжигают. Спустя некоторое время уменьшают давление кислорода или совсем его перекрывают. Раскаленные газы из нижней камеры 1 попадают в верхнюю камеру 2, где разжигают брикеты. Нагретый газ нагревает систему испарительного охлаждения 14, в которую вода поступает через средства 15. Получаемый в системе испарительного охлаждения 14 пар поступает в нижнюю камеру 1 через форсунки 16, а в верхнюю камеру 2 через форсунки 17. В верхней камере 2 начинается процесс пиролиза. Продукты пиролиза высасываются дымососом (не показан) в газосборник 10 и дальше в трубопровод 11. Через трубопровод 12 часть синтез-газа вместе с выносом в виде твердых частичек угля подается на фурмы второго яруса 13 и разогревает нижнюю камеру 1 до технологически необходимой температуры (между 1200-1600°С). Из верхней камеры по каналам в колосниковой решетке 8 начинает стекать в нижнюю камеру 1 шлак. Основная часть шлака стекает в нижнюю камеру 1 через каналы, расположенные ближе к боковой стенке верхней камеры 2, потому что его направляет туда головка грибовидного элемента 9. В то же время к части каналов колосниковой решетки, которые находятся под головкой грибовидного элемента 9 ближе к ножке грибовидного элемента, шлак не дотекает и через них в верхнюю камеру 2 продолжает поступать горячий газ из нижней камеры 1.
Шлак, который прошел через каналы колосниковой решетки 9 в нижнюю камеру 1, раздувается потоком пара из форсунок 16 и прижимается к своду и стенкам, образовывая гарнисаж. Тем временем, устройство достигает оптимального режима по температуре газа, который поступает из нижней камеры 1 в верхнюю камеру 2, стабилизируется отток шлака из верхней камеры 2 в нижнюю камеру 1. Измельченный потоками газа и пара шлак внутри нижней камеры 1 начинает взаимодействовать с мелкими частицами угля, которые находятся во взвешенном состоянии и постоянно двигаются благодаря действию центробежной силы и действию восходящего газового потока. Шлак вытесняется на стенки нижней камеры 1 и стекает на дно нижней камеры 1, а ему на смену стекает шлак из верхней камеры 2.
На шлак, который собирается на дне первой камеры, действуют образованные фурмами 6 первого яруса потоки, состоящие из газоугольной смеси. Потоки сталкиваются с перегретым шлаком, при этом уголь разлагается с высокой скоростью, образовывая СО и другие газы, которые вспенивают шлаки. Частицы угля, которые запутались среди шлака, вступают в реакции с окислами шлака, восстанавливая металлы согласно ряду активности по отношению к углероду с образованием капель металлов. Капли металлов собираются в нижней части первой камеры и скапливаются там.
Благодаря тому, что форсунки 16 для впрыскивания пара размещены в верхней части нижней камеры одна против одной и по касательной к восходящему потоку раскаленных газов, в устройстве образуется турбулентный столб встречных перекрещенных потоков раскаленных газов, которые содержат остатки твердого топлива. В этом турбулентном столбе при температуре 1400-1600°С и в присутствии частиц шлака и металлов и происходит каталитическая безостаточная газификация топлива (углеродсодержащего вещества). Синтез-газ постоянно поступает в верхнюю камеру 2 и далее в газосборник 10 и в трубопровод 11. Та часть синтез-газа, которая не отобрана в трубопровод 12, дальше проходит обработку в зависимости от его назначения. Если синтез-газ предназначен для сжигания, его очищают от серы. Если синтез-газ предназначен для химического синтеза, его очищают дополнительно. Синтез-газ, предназначенный для бытовых нужд, дополнительно одорируют (придают ему определенный запах). Синтез-газ, предназначенный для прямого восстановления железа, например по Мидрекс-процессу, в дополнительной очистки не нуждается.
Шлак, который скапливается в нижней части нижней камеры, периодически выгружают через средства 21 и гранулируют известными методами. Жидкий металл, который находится под шлаками, также удаляется по мере накопления через средства 22, после чего разливается на чушку. Чушковые ферросплавы и гранулированные шлаки представляют собой товарную продукцию и могут реализовываться покупателям.