способ загрузки мелкоизмельченной руды в реакционную емкость высокого давления и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ загрузки мелкоизмельченной руды в реакционную емкость высокого давления, включающий загрузку руды в передаточную емкость высокого давления, сжатие в ней при помощи предварительно сжатого газа и последующую подачу через передающий трубопровод при помощи сжатого газа в реакционную емкость высокого давления, через которую проходит реакционный газ, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют загрузку руды во вторую передаточную емкость высокого давления и сжимают при помощи предварительно сжатого газа, а загрузку руды в реакционную емкость высокого давления осуществляют непрерывно, чередуя подачу из двух передаточных емкостей, при этом осуществляют рециркуляцию реакционного газа, используя либо часть реакционного газа, либо выделенный из него отдельный компонент в качестве сжатого газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть реакционного газа возвращают в реакционную емкость.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве сжатого газа используют СО₂, выделенный из реакционного газа.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве реакционного газа используют восстановительный газ.

5. Способ по одному или нескольким из пп.1 4, отличающийся тем, что сжатый газ получают путем сжатия до 20 бар и подают в передаточную емкость при компенсации имеющихся колебаний давления.

6. Способ по одному или нескольким из пп.1 4, отличающийся тем, что передаточные емкости непрерывно взвешивают и попеременное заполнение передаточных емкостей и попеременную подачу из них осуществляют в зависимости от измеряемого веса.

7. Способ по одному или нескольким из пп.1 6, отличающийся тем, что руду загружают в горячем состоянии.

8. Устройство для загрузки мелкоизмельченной руды в реакционную емкость высокого давления, содержащее сушилку-подогреватель руды, соединенную трубопроводом подачи руды с передаточной емкостью высокого давления, оборудованной трубопроводом сжатого газа и передающим трубопроводом, посредством которого передаточная емкость высокого давления соединена с реакционной емкостью, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одной дополнительной передаточной емкостью высокого давления с передающим трубопроводом, посредством которого она соединена с реакционной емкостью, при этом трубопровод подачи руды и трубопровод сжатого газа снабжены запорной арматурой, посредством которой трубопроводы имеют возможность поочередного подключения к одной из передаточных емкостей, а трубопровод сжатого газа, передаточные емкости, передающие трубопроводы и реакционная емкость высокого давления соединены между собой и образуют циркуляционную систему.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что трубопровод сжатого газа дополнительно снабжен запорной арматурой, посредством которой он имеет возможность поочередного соединения с каждым из передающих трубопроводов.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что оно снабжено компрессором и компенсатором колебания давления, установленными в трубопроводе сжатого газа.

11. Устройство по одному или нескольким пп.8 10, отличающееся тем, что оно снабжено средствами взвешивания, на которых установлены передаточные емкости, и узлом управления, посредством которого запорная арматура трубопровода подачи руды и запорная арматура трубопровода сжатого газа, обеспечивающая поочередное подключение к каждой передаточной емкости, соединена со средствами взвешивания.

12. Устройство по одному или нескольким пп.8 11, отличающееся тем, что внутренняя поверхность передающих трубопроводов выполнена с тепло- и износостойкой защитой, а наружная поверхность с теплоизоляцией.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу загрузки мелкоизмельченной руды, в частности железной руды, в реакционную емкость высокого давления, через которую проходит реакционный газ; при этом руда сначала подается в передаточную емкость высокого давления, сжимается в ней при помощи сжатого газа и затем передается в реакционную емкость высокого давления через передающий трубопровод при помощи сжатого газа, а также к устройству для проведения процесса.

Восстановление металла из мелкоизмельченной руды производится в реакционной емкости высокого давления, содержащей циркуляционную систему реакционного газа, замкнутую, насколько возможно, действующую при температурах от 500^oC до 850^oC и давлениях от 1 до 20 бар.

Известно применение шлюзовой системы передачи под давлением мелкоизмельченной железной руды в реакционную емкость высокого давления [1]. При этом руда сначала загружается в емкость высокого давления, в которой после присоединения питающего трубопровода к реакционной емкости высокого давления давление поднимается до реакционного. После этого открывается выходной трубопровод к реакционной емкости высокого давления и измельченная руда переходит в реакционную емкость высокого давления под действием гравитации. Загрузка таким способом может осуществляться при температуре окружающей среды и при повышенных температурах. Пространственное расположение такой шлюзовой системы возможно над реакционной емкостью высокого давления из-за использования гравитации. Это требует большой высоты системы в целом и, следовательно, ее структурной сложности, а также сложности передающих средств.

Из [2] известен способ, при котором горячая мелкоизмельченная руда подается в передаточную емкость высокого давления пневматически через накопительный резервуар. По мере заполнения передаточной емкости высокого давления в ней создается давление газообразным водородом, который в данном случае служит реакционным газом для восстановления железной руды, после чего открывается передающий трубопровод между передаточной и реакционной емкостями. В результате измельченная руда переходит в реакционную емкость высокого давления в течение короткого отрезка времени. Такая прерывиста загрузка неблагоприятно влияет на процесс восстановления. При этом получается неравномерное качество, а также неравномерная загрузка реакционной емкости высокого давления при плохом коэффициенте ее использования.

Данное изобретение имеет целью устранить эти недостатки и трудности и предложить способ вышеописанного вида и устройство для его осуществления, обеспечивающие безотказный процесс восстановления металла из руды в реакционной емкости высокого давления при оптимальном использовании ее производительной мощности, максимальной экономии сжатого газа и количества газа, пропускаемого через реакционную емкость высокого давления.

Согласно изобретению, эта цель достигается благодаря тому, что порция руды подается в как минимум одну дополнительную передаточную емкость высокого давления и сжимается в ней при помощи сжатого газа, и такая загрузка руды в реакционную емкость высокого давления продолжается непрерывно путем попеременной подачи сначала из одной передаточной емкости, а затем из дополнительной, в то время как сжатый газ отбирается из реакционного газа в определенном количестве или как отдельный его компонент и подается обратно в реакционную емкость высокого давления с рудой.

Благодаря лучшему использованию реакторов, согласно изобретению, производительность может быть значительно увеличена. Кроме того, режим работы реакционной емкости высокого давления при непрерывной загрузке, согласно изобретению, существенно упрощается, поскольку отпадает необходимость в технологической цепи, требуемой при периодическом процессе. Таким образом, в целом достигается большая экономия в дополнение к значительному упрощению процесса.

Из [3] известно устройство для непрерывной подачи мелкоизмельченного сырья, такого как угольная пыль, которое включает две емкости высокого давления, поочередно наполняемые и пневматически опустошаемые, из которых сырье непрерывно подается потребителю при помощи сжатого воздуха. Сжатый воздух подается из окружающей среды через компрессор в трубопровод, подающий сырье и, таким образом, к потребителю угольной пыли.

Согласно изобретению, дополнительное упрощение процесса может быть достигнуто путем хотя бы частичной циркуляции реакционного газа через реакционную емкость высокого давления.

В качестве сжатого газа используется преимущественно CO₂, который выделяется посредством мокрого обогащения с CO₂, из реакционного газа, образующегося в результате процесса, происходящего в реакционной емкости высокого давления. Преимущество использования CO₂ в качестве передающего газа в первую очередь заключается в том, что он негорюч и, таким образом, не вступает в реакцию и не влияет на процесс, происходящий в реакционной емкости высокого давления. Кроме того, он может быть снова отделен и поэтому всегда остается в наличии.

Удобно то, что газ, служащий для восстановления металла из руды, также можно использовать в качестве сжатого газа для передачи руды из передаточных емкостей в реакционную емкость высокого давления.

Чтобы точно определить передаваемое количество руды, передаточные емкости высокого давления преимущественно непрерывно взвешиваются, и поочередная передача из одной передаточной емкости или заполнение одной передаточной емкости производится с помощью контура управления, как функции замеренного веса передаточных емкостей, причем параметры управления координируются с количеством используемой руды в каждом отдельной случае.

Устройство для проведения процесса, согласно изобретению, включающее устройства сушки и предварительного подогрева руды, передаточную емкость высокого давления, подсоединенную через трубопровод подачи руды, в которой вводится трубопровод для сжатого газа и от которого отводится трубопровод, ведущий к реакционной емкости высокого давления, отличается тем, что содержит, по меньшей мере, одну дополнительную передаточную емкость высокого давления, в то время как трубопровод подачи руды может соединяться запорным органом поочередно с одной или другой передаточной емкостью; что каждая из передаточных емкостей высокого давления может соединяться с реакционной емкостью высокого давления через передающий трубопровод и что трубопровод сжатого газа может соединяться поочередно с каждой из передаточных емкостей высокого давления посредством запорных органов, трубопровод сжатого газа соединяется с реакционной емкостью высокого давления через передаточные емкости высокого давления и передающие трубопроводы, образуя циркуляционную систему.

Преимущественно трубопровод сжатого газа дополнительно может поочередно соединяться посредством запорных органов с каждым из передающих трубопроводов, ведущих от передаточных емкостей высокого давления к реакционной емкости высокого давления.

Чтобы гарантировать равномерную передачу, в трубопроводе сжатого газа имеются компрессор и компенсатор колебаний давления.

Чтобы определить количество передаваемой руды, передаточные емкости высокого давления согласно предпочтительной конструкции, оснащены средством взвешивания, а запорные органы в трубопроводе сжатого газа и в трубопроводе подачи руды соединяются со средством взвешивания через устройство управления.

Является предпочтительным, чтобы передающие трубопроводы, ведущие от передаточных емкостей высокого давления к реакционной емкости высокого давления, внутри оснащены тепло- и износостойкой защитой, а снаружи - изоляцией.

Далее изобретение будет описано более детально на примере конструкции, изображенной на чертеже.

Устройство, согласно изобретению, включает четыре реакционные емкости высокого давления, последовательно распложенные в ряд и представляющие собой реакторы вихревого слоя 1-4, где содержащий оксид железа материал, например, мелкоизмельченная руда, подается в первый реактор вихревого слоя по передающему трубопроводу 5 и далее последовательно из одного реактора вихревого слоя в следующий по передающему трубопроводу 6; полностью восстановленный металл/губчатое железо/ формуется в горячие или холодные брикеты на брикетирующей установке 7. Если требуется, восстановленное железо защищается от повторного окисления во время брикетирования системой инертного газа/на чертеже не показана/.

Восстановительный газ проходит из реактора вихревого слоя 4 в другие реакторы вихревого слоя 3 - 1 в противотоке с движением руды и возвращается из последнего по направлению движения газа реактора вихревого слоя 1 как отработанный газ по трубопроводу вывода отработанного газа 8, охлаждается и очищается в скруббере 9. Выработка восстановительного газ осуществляется в установке для реформинга 10 путем реформинга природного газа, подаваемого по трубопроводу 11 и десульфирируемого в десульфурирующей установке 12. Реформированный газ, состоящий из природного газа и пара, в основном содержит H₂, CO, CH₄, H₂O и CO₂. Этот реформированный газ подается по трубопроводу 13 реформированного газа в несколько теплообменников 14, в которых он охлаждается до температуры окружающей среды, причем вода конденсируется из газа.

Трубопровод 13 реформированного газа сообщается с трубопроводом вывода отработанного газа 8 после компрессора 15 для сжатия отработанного газа. Смешанный газ, образованный таким образом, проходит через скруббер CO₂ 16 и освобождается от CO₂, после чего становится пригодным в качестве восстановительного газа. Этот восстановительный газ, проходя через трубопровод 17 подачи восстановительного газа, нагревается до температуры около 800^oC в газовом нагревателе 18, расположенном за скруббером CO₂ 16, и подается в первый по направлению движения газа реактор вихревого слоя 4, где он реагирует с мелкоизмельченной рудой, восстанавливая из нее металл. Реакторы вихревого слоя 4 - 1 расположены последовательно в ряд; восстановительный газ попадает из одного реактора в другой через соединительные трубопроводы 19.

Порция отработанного газа выводится через циркуляционную систему со шлюзовым устройством 8, 17, 19 для газа, чтобы избежать чрезмерного обогащения инертным газом, таким как N₂. Выводимый через шлюзы отработанный газ подается через ответвленный трубопровод 20 в нагреватель газа 18 для нагрева восстановительного газа и сжигается там. Возможный недостаток энергии восполняется природным газом, подаваемым через питающий трубопровод 21.

Значительное количество тепла от реформированного газа из реформирующей установки 10 и от газов, образующихся в реформирующей установке, используется в рекуператоре 22 для предварительного подогрева природного газа после прохождения его через десульфурирующую установку 12, чтобы выработать пар, требуемый для реформинга и для подогрева воздуха для горения, подаваемого в нагреватель газа по трубопроводу 23, а также, если нужно, для подогрева восстановительного газа. Воздух для горения, который подается в установку для реформинга 10 по трубопроводу 24, также предварительно подогревается.

Чтобы поддерживать постоянной температуру реакции на одном и том же уровне во всех реакторах вихревого слоя 1 - 4 и таким образом достичь дополнительного снижения потребления энергии, горячий и свежий восстановительный газ напрямую подаются через ответвленные трубопроводы 27 в реакторы вихревого слоя 1 - 3, распложенные за первым по направлению течения восстановительного газа реактором 4, в количествах около 10% на каждый реактор 1, 2 и 3. Таким образом, реакторы вихревого слоя 1 - 4 в смысле контроля восстановительного газа расположены не только последовательно, но, если учитывать подачу небольших порций восстановительного газа, также и параллельно, хотя в представленном примере выполнения реакторы вихревого слоя 1-4, где происходит возврат и передача реакционного газа, распложены исключительно последовательно.

Перед вводом мелкоизмельченной руды в первую реакционную емкость высокого давления 1, сконструированную как реактор вихревого слоя, мелкоизмельченная руда подвергается обработке, в частности просеиванию и сушке, а также, желательно, предварительному подогреву. Для сушки имеется сушилка-подогреватель вихревого слоя 28, в которой мелкоизмельченная руда не только сушится, но и подогревается до 300 - 700^oC. В эту сушилку-подогреватель 28 мелкоизмельченная руда подается ленточный конвейером 29, а нагревающий газ 30 вместе с воздухом 31 подается через форсунку 32. Горячая руда подается в промежуточный контейнер 34 через трубопровод подачи руды 33 и оттуда попадает в две передаточных емкости высокого давления 35, 36 через клапаны 37, а именно выборочно в одну из двух. Каждая из передаточных емкостей высокого давления 35, 36 соединяется с трубопроводом сжатого CO₂ 38 через клапаны 39, причем в трубопроводе сжатого газа CO₂ предусмотрен компрессор 40, сжимающий CO₂ до примерно 20 бар, и последовательно за ним установлен компенсатор 41. Компенсатор выравнивает кратковременные колебания давления, возникающие при прерывистой подаче CO₂. Как видно из чертежа, передаваемый газ CO₂ забирается из процесса восстановления, т.е. из скруббера CO₂ 16, таким образом, чтобы он постоянно циркулировал во время процесса.

От каждой из двух передаточных емкостей высокого давления 35, 36 ответвляется передающий трубопровод 5, эти трубопроводы индивидуально соединяются с первой реакционной емкостью высокого давления 1 через клапаны 42.

Трубопровод сжатого газа CO₂ 38, идущий от компенсатора 41, включает ответвление 43 для соединения через клапаны 44 с одним из трубопроводов 5, передающим мелкоизмельченную руду в первую реакционную емкость высокого давления 1. Каждая из передаточных емкостей высокого давления 35, 36 располагаются на взвешивающих элементах 45 взвешивающего устройства, сообщаются через клапаны 39, 44 трубопровода сжатого газа и через клапаны 37 и 42, имеющиеся в трубопроводе подачи руды 33 и в передающем трубопроводе 5 соответственно, через средства управления 46, как показано для некоторых клапанов прерывистыми линиями.

Загрузочное устройство функционирует следующим образом: горячая руда загружается в одну из двух передаточных емкостей высокого давления 35, 36 до тех пор, пока взвешивающие устройства 45, 46 не покажут окончательное заполнение соответствующей передаточной емкости. После этого трубопровод подачи руды 33 закрывается путем закрытия имеющегося в нем клапана 37, и загруженная передаточная емкость высокого давления, содержащая нагретый до 50 - 200^oC CO₂, доводится до давления транспортирования путем открытия соответствующего клапана 39. По достижение давления транспортирования - около 20 бар - передающий в реакционную емкость высокого давления трубопровод 5 открывается и мелкоизмельченная руда вводится в реакционную емкость высокого давления с соответствующей скоростью.

Тем временем вторая из передаточных емкостей высокого давления 35, 36 заполняется мелкоизмельченной рудой, чтобы быть готовой к загрузке после опустошения первой передаточной емкости 35, 36. Благодаря соответствующей скорости загрузки то из одной, то из другой передаточной емкости становится возможно подача руды непрерывно в реакционную емкость высокого давления 1 при постоянном ее количестве в единицу времени. Само собой разумеется, что это может осуществляться также с использованием более чем двух передаточных емкостей высокого давления 35, 36.

Передающий трубопровод 5, ведущий к реакционной емкости высокого давления 1, внутри оснащен тепло- и износостойкой защитой, а снаружи - изоляцией. Во избежание тепловых потерь передаточные емкости высокого давления 35, 36 также теплоизолированы. Кроме того, предусмотрены средства, учитывающие тепловое расширение. Для увеличения технологической безопасности возможна также установка двух независимых систем подачи давления.

CO₂ проявил себя как один из лучших передающих газов, в частности, из-за того, что он не вступает в реакцию с восстановительной атмосферой внутри реакционных емкостей, что он может быть выведен из процесса простым способом и что он негорюч.

Удельное потребление передающего газа составляет от 20 до 35 Hм³ CO₂ на тонну железной руды. Общее потребление при передающей производительности от 120 ^т/_ч составляет максимум до 4200 Hм³/_ч. При применении способа загрузки? согласно изобретению, CO₂ присутствует в восстановительном газе в незначительном количестве, около 2%. Однако возможно также использование в качестве передающих и другие газы, образующиеся в процессе реакции.

Таким образом преимущества, получаемые согласно изобретению, заключаются в следующем: высокая экономия благодаря непрерывности процесса; лучшее использование реакторов и, следовательно, более экономичное использование сырья; упрощенная технология благодаря существенному сокращению технологической цепи; малая потребность в оборудовании по сравнению с обычными системами; малая конструктивная высота реактора, поскольку загрузка осуществляется на уровне пола; снижение затрат на стальные конструкции; благодаря предварительному подогреву руды, осуществляемому без давления, отсутствуют затраты на сжатие воздуха, идущего на сгорание; использование газа, образующегося в процессе реакции в качестве передающего; благодаря использованию передающего газа, не вступающего в реакцию, он не влияет на процесс, и в связи с применением сушки в вихревом слое и последующего подогрева достигается максимальный энерготехнический КПДк.

Способ согласно изобретению, и устройство, согласно изобретению, позволяют загружать также холодную руду.

Способ, согласно изобретению, и устройство, согласно изобретению, могут быть использованы не только для вышеописанного процесса восстановления металла из руды, в котором восстановительный газ максимально вовлечен в циркуляцию, но также и для других восстановительных процессов, например таких, в которых восстановительный газ проходит через реакционную емкость высокого давления только один раз.