способ получения железа прямым восстановлением и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения железа прямым восстановлением с регулируемым содержанием углерода в системе для восстановления без применения установки для реформинга природного газа, содержащий введение зернистого материала, содержащего оксиды железа, в верхнюю часть зоны восстановления реактора с движущимся слоем, подачу горячего восстановительного газа и пропускание его через зону восстановления с образованием восстановительного газа, содержащего водород и монооксид углерода, за счет превращения углеводородов окислителями, такими, как, по меньшей мере, вода и кислород, восстановлением материала, содержащего оксиды железа, до железа, рафинированного от примесей, и его науглероживание этим газом, отвод из зоны восстановления отработанного восстановительного газа, удаление из него диоксида, смешивание отработанного газа с природным газом, регулирование содержания воды в смеси и его последующий нагрев и выгрузку восстановленного и науглероженного железа из реактора, отличающийся тем, что в зону восстановления подают первый поток восстановительного газа при температуре в интервале приблизительно 900-1150^oС, диоксид углерода удаляют, по меньшей мере, из части второго потока с образованием третьего потока, содержащего не более чем приблизительно 10% диоксида углерода, смешивают третий поток с природным газом для образования четвертого потока восстановительного газа, содержание воды в восстановительном газе перед нагревом регулируют вне реактора таким образом, чтобы иметь содержание воды после нагрева в интервале приблизительно 5-12 об. %, нагревают четвертый поток до повышенных температур восстановления, смешивают горячий четвертый поток с кислородсодержащим газом для повышения температуры четвертого потока до значений, находящихся в интервале приблизительно 900-1150^oС, с целью образования первого потока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток подвергают охлаждению, очистке и обезвоживанию.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что второй поток подвергают резкому охлаждению водой и получающуюся в результате такого резкого охлаждения отходящую горячую воду используют для регулируемого увлажнения образующегося в результате этого восстановительного газа перед подачей такого газа в нагреватель.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что содержание воды регулируют за счет обеспечения контакта газа с водой.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что содержание углерода в получаемом железе прямого восстановления регулируют путем регулирования содержания воды в восстановительном газе, поступающем в реактор для восстановления.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что содержание углерода, который может быть включен в частицы железа прямого восстановления, может составлять любую величину, по меньшей мере, находящуюся в интервале 1,1-3,64%.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что второй и четвертый потоки газа пропускают через теплообменник, в котором происходит рекуперация тепла из второго потока четвертым потоком, в котором четвертый поток отбирает тепло из второго потока.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что восстановительный газ с добавленным природным газом и отрегулированным содержанием воды нагревают в нагревателе с прямым нагревом до температуры приблизительно 850-1000^oС.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что диоксид углерода удаляют с помощью адсорбера с колебанием объема.

10. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что диоксид углерода удаляют с помощью адсорбера с колебанием давления.

11. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что диоксид углерода удаляют с помощью устройства для удаления с использованием жидкого раствора аминов.

12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что железо прямого восстановления выгружают из реактора для восстановления при температуре свыше приблизительно 500^oС.

13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что железо прямого восстановления выгружают из реактора для восстановления при температуре свыше приблизительно 500^oС и после этого подвергают горячему брикетированию.

14. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что железо прямого восстановления выгружают из реактора для восстановления при температуре ниже приблизительно 100^oС за счет циркуляции потока охлаждающего газа в контакте с железом прямого восстановления.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что охлаждающий газ содержит природный газ.

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что охлаждающий газ содержит отходящий газ из зоны восстановления реактора для восстановления.

17. Способ по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что второй поток отработавшего восстановительного газа находится при температуре в интервале приблизительно 250-450^oС.

18. Способ по любому из пп. 1-17, отличающийся тем, что получают железо прямого восстановления с химически связанным углеродом с регулируемым и заданным содержанием.

19. Устройство для восстановления зернистых, содержащих оксиды железа частиц с помощью восстановительного газа для получения частиц железа прямого восстановления, имеющих регулируемое содержание углерода, включенного в них, содержащее реактор для восстановления с движущимся слоем, имеющий зону восстановления, контур для восстановительного газа, предназначенный для циркуляции, по меньшей мере, большей части газа, выходящего из верхней части зоны восстановления реактора для кондиционирования и обогащения и возврата его в виде улучшенного рециркулирующего восстановительного газа в зону восстановления реактора, причем контур включает в себя зону восстановления, устройство для охлаждения и очистки газа, предназначенное для охлаждения и очистки газа, выходящего из верхней части реактора, насос для обеспечения циркуляции циркулирующего восстановительного газа через указанный контур и реактор, устройство для удаления диоксида углерода из рециркулирующего восстановительного газа, нагреватель газа для повышения температуры потока газа, циркулирующего через указанный контур, до температур в интервале 850-1000^oС, средство для регулирования содержания воды в рециркулирующем восстановительном газе, отличающееся тем, что оно содержит средство для добавления природного газа в указанный контур для восстановительного газа и средство для смешивания рециркулирующего и природного газа и регулирования количества рециркулирующего газа перед поступлением восстановительного газа в реактор.

20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что устройство для удаления диоксида углерода представляет собой устройство для адсорбции с колебанием давления.

21. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что устройство для удаления диоксида углерода представляет собой устройство для адсорбции с колебанием объема.

22. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что устройство для удаления диоксида углерода представляет собой абсорбер, содержащий жидкий раствор аминов.

23. Устройство по любому из пп. 19-22, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит теплообменник для подогрева потока газа, выходящего из верхней части реактора.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения предварительно восстановленной железной руды, железа прямого восстановления (DRI - direct reduced iron) или т.п. в установке для производства чугуна, в которой восстановительный газ, используемый при химическом восстановлении оксидов железа, образуется из природного газа в системе с реактором для восстановления путем реакции углеводородов с такими окислителями, как вода, диоксид углерода и кислород, внутри реактора для восстановления, который при устойчивом режиме работы содержит железо, рафинированное от примесей, служащее в качестве катализатора превращений. Содержание углерода в железе, полученном прямым восстановлением, можно регулировать путем изменения соотношения содержания воды, диоксида углерода (двуокиси углерода) и кислорода в составе восстановительного газа, подаваемого в реактор для восстановления. В соответствии с изобретением разработан способ, который позволяет получать железо прямого восстановления без использования применяемой в настоящее время установки для реформинга природного газа, внешней по отношению к системе с реактором для восстановления, с высокой эффективностью и надежностью, в результате чего уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с установками для прямого восстановления.

Предпосылки изобретения

В настоящее время на установках для прямого восстановления, предназначенных для получения железа прямым восстановлением, известного как крица или губчатое железо, железо, полученное путем горячего брикетирования, или т.п. (вообще для получения предварительно восстановленных материалов, служащих сырьем для производства чугуна и стали), железо получается прямым восстановлением за счет того, что восстановительный газ, находящийся при температурах в диапазоне от 750 до 1050^o и состоящий главным образом из водорода и монооксида углерода (окиси углерода), вступает в реакцию со слоем зернистого железосодержащего материала в виде комков или окатышей. В настоящее время в большинстве работающих установок для прямого восстановления используется реактор с движущимся слоем, в котором газы проходят в противотоке с опускающимся под действием силы тяжести слоем частиц железной руды, проходящих вниз через реактор. Примеры таких способов описаны в патентах США No.No3749386; 3764123; 3186101; 4002422; 4046557; 4336063; 4375983; 4428072; 4556417 и 5078787.

Известно, что железо прямого восстановления, используемое в качестве шихты или части шихты для сталеплавильной дуговой электропечи (EAF - electric arc furnace), должно в желательном варианте содержать определенные количества углерода, химически соединенного с железом в материале, представляющем собой железо прямого восстановления. Связанный углерод, в отличие от свободного углерода, который может быть добавлен в ванну расплавленного металла в дуговой электропечи в виде сажи в железе прямого восстановления или в виде графита, обеспечивает ряд преимуществ для сталеплавильного процесса, например, большая часть указанного углерода (примерно 70-85%) остается в ванне расплавленного металла и способствует дополнительному восстановлению оксидов железа, содержащихся в подаваемом в качестве сырья железе прямого восстановления, с образованием монооксида углерода; при реакциях восстановления этого монооксида углерода происходит образование пузырьков газа, которые образуют слой "вспененного" шлака над ванной расплавленного металла, при этом указанный слой чрезвычайно ценен с точки зрения обеспечения защиты стенок дуговой электропечи от излучения со стороны электрической дуги; при дополнительном окислении монооксида углерода до диоксида углерода выделяется энергия в дуговой электропечи, тем самым обеспечивается экономия при потреблении электроэнергии.

В течение длительного времени существовало стремление разработать способ прямого восстановления, в котором получающееся железо прямого восстановления содержит надлежащее количество химически связанного углерода, наилучшим образом соответствующее определенным параметрам процесса производства стали.

При применяемых в настоящее время процессах восстановления получают железо прямого восстановления с содержанием углерода, находящимся в определенных узких пределах, от 0,8% до 1,8%, в зависимости от среднего состава восстановительного газа, поскольку науглероживание главным образом определяется реакцией Boudouard: 2CO-->С+СО₂. Эта реакция является экзотермической и ускоряется при сравнительно низких температурах, а именно в диапазоне от 500^oС до 700^oС; следовательно, традиционно эту реакцию науглероживания ускоряли в тех процессах, при которых получаемое железо прямого восстановления охлаждали до температур окружающей среды перед выгрузкой его из реактора для восстановления за счет обеспечения циркуляции СО-содержащего газа через часть указанного реактора, предназначенную для охлаждения и выгрузки продукта.

Другим способом получения железа прямого восстановления с желательным содержанием углерода является введение горячего получаемого железа прямого восстановления в контакт с природным газом в зоне охлаждения реактора. Углеводороды в природном газе, примером которых является метан, разлагаются на элементарный углерод, который соединяется с железом, рафинированным от примесей, и водород плюс монооксид углерода, используемый в зоне восстановления. Этот способ широко известен и реализуется на практике, как показано, например, в патенте США 4046557 и 4054444, причем в последнем патенте также предлагается подавать науглероживающий природный газ в промежуточную зону между зоной восстановления и зоной вторичного охлаждения реактора для восстановления, чтобы использовать тепло железа прямого восстановления для разложения углеводородов.

Обычная реакция разложения - это реакция СН₄-->С+2Н₂. Поскольку реакция разложения углеводородов является явно эндотермической, эта реакция в большинстве случаев используется в тех процессах, при которых происходит получение "холодного" железа прямого восстановления. Благодаря вышеуказанной реакции природный газ использовался в качестве хладагента в некоторых процессах, например, в патентах США No. No 3765872 и 5437708. В последнем из указанных патентов раскрывается способ, при котором содержание углерода в железе прямого восстановления повышено за счет увеличения времени пребывания полученного железа прямого восстановления в зоне реакции. Однако этот способ не целесообразен для реализации на практике, поскольку время пребывания увеличивается от 5-6 часов до 9-15 часов. Это требует реактора большего размера для обеспечения той же производительности.

Точное и надежное регулирование науглероживания железа прямого восстановления становится несколько более затруднительным в тех случаях, когда получаемое железо прямого восстановления рациональным образом выгружают из реактора для восстановления при высоких температурах (то есть при температурах свыше 550^oС) для немедленного использования в дуговой электропечи с обеспечением больших преимуществ с точки зрения экономии энергии и производительности процесса производства стали, или для производства железа, полученного путем горячего брикетирования и имеющего свои преимущества, его транспортировки сушей или морем и его использования в сталеплавильных печах. Был сделан ряд предложений для достижения желательного содержания соединений углерода в процессе, при котором получают горячее железо прямого восстановления. Один такой способ описан в патентах США No. No 4834792 и 4734128. В этих патентах описаны процессы, при которых восстановительный газ с заданной восстановительной способностью получают в отдельной печи реформинга, при которых углеводороды в природном газе преобразуются в Н₂ и СО в печи реформинга, и науглероживающие углеводороды добавляются к восстановительному газу, подаваемому в реактор.

Другое предложение для получения "горячего" железа прямого восстановления с высоким содержанием углерода раскрыто в документе Германии OS 4437679 A1, в котором описывается способ, при котором природный газ подают в часть реактора для восстановления, предназначенную для выгрузки, чтобы разложить углеводороды, используя тепло от железа прямого восстановления, проходящего вниз из зоны восстановления. Этот способ науглероживания такой же, как описанный выше, при этом единственным отличием его является то, что восстановительный газ образуется внутри реактора. Однако способ по данному патенту обладает недостатком, заключающимся в том, что и в данном случае количество энергии, доступное для выполнения эндотермических реакций науглероживания, определяется теплом железа прямого восстановления; и в том случае, когда железо прямого восстановления должно быть выгружено при высокой температуре, степень науглероживания будет очень ограниченной.

Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование по отношению к способам по предшествующему техническому уровню и, в частности, представляет собой усовершенствование по отношению к патенту США No. 5110350. В этом патенте описан процесс прямого восстановления без специальной установки для реформинга природного газа, при котором восстановительные газы образуют путем реакции превращения природного газа с водой, добавляемой к восстановительному газу перед нагревом потока восстановительного газа, путем насыщения его горячей водой, забираемой от охладителя отходящих газов. Смесь насыщенного водой природного газа и рециркулирующего газа нагревают в подогревателе газа и подают в реактор для восстановления, в котором проходят все реакции - реакции превращения, реакции восстановления и реакции науглероживания. Однако в способе по данному патенту не используется кислород для частичного сжигания восстановительного газа перед подачей этого газа в реактор для восстановления, чтобы получить энергию, необходимую для науглероживания железа прямого восстановления до желательного заданного уровня.

К другим патентам, которые представляют собой патенты по предшествующему техническому уровню, относится патент США No. 3375099, в котором раскрывается способ восстановления оксидов железа, при котором природный газ или метан частично сжигается в присутствии кислорода в камере сгорания для получения водорода и монооксида углерода известным образом. Только незначительная часть регенерированного газа может быть возвращена в реактор путем рециркуляции, поскольку температура газа, поступающего в реактор, чрезмерно падает, так как не предусмотрено никакого нагревателя газа для рециркулирующего потока. Следовательно, потребление исходного природного газа является большим, и вследствие данного ограничения неизбежны потери ценного восстановительного газа. Потребление кислорода также является значительным, поскольку все тепло, необходимое для повышения температуры восстановительного газа до уровня, обеспечивающего восстановление, должно быть получено за счет частичного окисления природного газа кислородом при сжигании.

В патенте США No. 5064467 раскрывается способ прямого восстановления, аналогичный способу по выложенной заявке Германии 4437679, при котором восстановительные газы получают путем частичного сжигания смеси рециркулирующего газа и природного газа в присутствии воздуха или воздуха и кислорода, в результате чего углеводороды природного газа подвергаются реакции превращения внутри реактора для восстановления, как известно в данной области. Однако в данном способе не используется преимущество, заключающееся в высоком уровне влажности, для реакции природного газа, а указанный способ базируется на применении диоксида углерода и кислорода. Поскольку в данном способе не предусмотрено устройство для удаления CO₂, предназначенное для регенерирования рециркулирующего газа, количество газа, извлекаемого из этой системы, составляет порядка 30% газа, выходящего из реактора.

В патенте США No. 4528030 раскрывается способ восстановления без специальной установки для реформинга, при котором происходит реакция природного газа с паром в качестве главного окислителя внутри реактора для восстановления. Однако в соответствии с данным патентом не предусмотрено добавление кислорода для повышения температуры восстановительного газа, поступающего в реактор, и для получения энергии, необходимой для науглероживания железа прямого восстановления, и для обеспечения гибкости регулирования содержания углерода, как в настоящем изобретении.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является разработка способа и устройства для производства железа прямого восстановления с заданным содержанием углерода путем регулирования добавления воды и кислорода, которые смешиваются с восстановительным газом, поступающим в реактор для восстановления.

Другой целью изобретения является разработка способа и устройства для восстановления оксидов железа с высокой степенью эффективности в системе с реактором для восстановления без применения используемой в настоящее время установки для реформинга природного газа.

Другие цели и преимущества изобретения являются очевидными для специалистов в данной области или будут упомянуты в данном описании изобретения и показаны на чертеже.

В соответствии с настоящим изобретением его цели достигаются за счет разработки следующих способа и устройства:

Способ получения железа прямого восстановления с регулируемым содержанием углерода в системе для восстановления, не содержащей установки для реформинга природного газа, при котором восстановительный газ образуется путем превращения углеводородов в восстановительном газе с водой и кислородом внутри системы для восстановления, причем способ реализуется в реакторе для восстановления с движущимся слоем, имеющем зону восстановления, в которой зернистые материалы, содержащие оксиды железа, по меньшей мере, частично химически восстанавливаются до железа, рафинированного от примесей, с помощью находящегося при высокой температуре восстановительного газа, содержащего водород и монооксид углерода в качестве восстановителей, причем способ содержит следующие операции: введение зернистого материала, содержащего оксиды железа, в верхнюю часть зоны восстановления реактора; подачу в зону восстановления первого потока восстановительного газа при температуре в интервале от приблизительно 900^oС до приблизительно 1150^oС и пропускание горячего восстановительного газа вверх через зону восстановления для того, чтобы, по меньшей мере, частично восстановить оксиды железа, находящиеся в ней, до железа, рафинированного от примесей, науглероживание железа, рафинированного от примесей, углеродом из восстановительных газов, подаваемых в реактор, в результате чего получают железо прямого восстановления, имеющее химически связанный углерод в регулируемом и заданном количестве; отвод из зоны восстановления второго потока отработавшего восстановительного газа, находящегося при температуре в интервале от приблизительно 250^oС до приблизительно 450^oС; пропускание второго потока через теплообменник, в котором происходит рекуперация тепла из второго потока; охлаждение второго потока в устройстве для охлаждения и очистки газов путем непосредственного контакта потока газа с водой в жидком состоянии с целью обезвоживания и очистки второго потока; удаление диоксида углерода из части второго потока, что приводит к образованию третьего потока, содержащего не более чем приблизительно 10% диоксида углерода; смешивание третьего потока с природным газом для образования четвертого потока восстановительного газа; увеличение содержания воды в четвертом потоке путем введения газа в контакт с горячей водой, вытекающей из устройства для охлаждения и очистки газа; регулирование содержания воды в четвертом потоке до значения в интервале от приблизительно 5% до приблизительно 12%; нагрев четвертого потока до температуры, находящейся в интервале от приблизительно 850^oС до приблизительно 1000^oС; смешивание горячего четвертого потока с кислородсодержащим газом для повышения температуры четвертого потока до значений, находящихся в интервале от приблизительно 950^oС до приблизительно 1150^oС с целью образования первого потока; и выгрузку железа прямого восстановления с отрегулированным и заданным соединением углерода из реактора.

Устройство для получения железа прямого восстановления, которое содержит реактор для восстановления, перекачивающее средство и средство для обеспечения циркуляции, по меньшей мере, части газа, выходящего из верхней части реактора, в контуре восстановления, включающем в себя реактор для восстановления, устройство для охлаждения и очистки газа, предназначенное для охлаждения и очистки газа, выходящего из верхней части реактора, устройство для удаления диоксида углерода, нагреватель газа для повышения температуры потока газа, циркулирующего через контур, до температур в интервале от приблизительно 850^oС до приблизительно 980^oС, средство для смешивания природного газа с подвергшимся рециркуляции газом, выходящим из верхней части реактора для восстановления, перед пропусканием через подогреватель газа и средство для смешивания кислородсодержащего газа с рециркулируюшим газом и регулирования количества кислородсодержащего газа перед поступлением газа в реактор, в результате чего получают железо прямого восстановления с заданным содержанием углерода.

Краткое описание чертежа

В данном описании и на чертеже показаны и описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения и предложены различные альтернативные варианты и модификации их. Эти варианты не ограничивают изобретение, более того в его рамках может быть выполнено много других изменений и модификаций. Предложенные здесь варианты выбраны и включены для более полного понимания специалистами в данной области сущности изобретения и его принципов и благодаря чему изобретение можно модифицировать в различных видах, каждый из которых наилучшим образом может удовлетворять условиям конкретного случая применения.

На чертеже показана принципиальная схема предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Как показано на чертеже, ссылочной позицией 5 в целом обозначена система для восстановления, содержащая реактор 10 для восстановления с движущимся слоем, предназначенный для химического восстановления оксидов железа, имеющий зону 12 восстановления и зону 14 выгрузки. Природный газ подают в систему 5 для восстановления из соответствующего источника 16 и смешивают с рециркулирующим и регенерированным восстановительным газом из реактора 10, проходящим по трубе 18. После этого смесь природного газа и рециркулирующего газа пропускается через увлажнитель 20, в котором горячая вода, находящаяся при температуре в интервале от приблизительно 60^oС до приблизительно 90^oС, входит в контакт с потоком газа, в результате чего образуется поток газа, проходящий через трубу 22 и имеющий содержание воды в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 12 объемных процентов. Эта вода используется в качестве окислителя для превращения углеводородов, имеющихся в природном газе, внутри реактора 10 для восстановления. Увлажненную смесь природного газа и рециркулирующего газа подогревают в теплообменнике 24 до температуры от приблизительно 300^oС до приблизительно 400^oС за счет рекуперации тепла от еще горячего потока газа, выходящего из реактора 10 по трубе 26, и указанная смесь проходит по трубе 28 в подогреватель 30 газа, в котором ее температура повышается до значений в интервале от приблизительно 850^oС до приблизительно 1000^oС. Нагрев в подогревателе 30 газа обеспечивается за счет сжигания соответствующего топлива из источника 32 способом, известным в данной области. После этого горячий восстановительный газ проходит через передающую магистраль 34 и смешивается с кислородсодержащим газом из источника 36. Поскольку основная часть газа, проходящего через реактор 10, возвращается обратно в реактор за счет рециркуляции, предпочтительно использовать чистый кислород вместо воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, поскольку азот из воздуха будет скапливаться в рециркулирующем газе. Частичное сжигание восстановительного газа с кислородом обеспечивает повышение его температуры до значений в интервале от приблизительно 1000^oС до приблизительно 1100^oС. Кроме того, в результате этого частичного сжигания, помимо обеспечения энергии для выполнения эндотермических реакций науглероживания железа прямого восстановления, происходит образование водорода и монооксида углерода из углеводородов, содержащихся в природном газе, подаваемом в систему 5 для восстановления. Восстановительный газ, поступающий в реактор и также содержащий углеводороды из природного газа, восстанавливает оксиды железа внутри реактора, и одновременно окислители, содержащиеся в восстановительном газе, преобразуют метан и другие углеводороды в водород и монооксид углерода, используя преимущество каталитических свойств железа прямого восстановления (губчатого железа), полученного в реакторе для восстановления. Восстановительный газ, находящийся при температуре в интервале от приблизительно 250^oС до приблизительно 400^oС, отводят из реактора 10 по трубе 26, которая обеспечивает подачу его в теплообменник 24, и затем этот восстановительный газ проходит по трубе 38 в охладитель-газоочиститель 40, в котором восстановительный газ охлаждается путем непосредственного контакта с охлаждающей водой. Горячую воду, образующуюся в охладителе-газоочистителе 40, можно использовать для увлажнения восстановительного газа, возвращаемого в реактор, как описано в патенте США 5110350. После охлаждения и обезвоживания восстановительный газ проходит по трубе 42 и затем разделяется, по меньшей мере, на две части. Меньшая часть проходит по трубе 44, имеющей клапан 46 давления, через который некоторая часть газа выпускается из системы с целью поддержания и регулирования давления в системе и устранения нежелательного накапливания инертных газов. Большая часть отходящего восстановительного газа проходит по трубе 48 и перекачивается перекачивающим средством 50, которое может представлять собой газодувку или компрессор, с целью возвращения газа в реактор 10 путем рециркуляции. После перекачивающего средства 50 газ проходит по трубе 52 и затем пропускается через соответствующее устройство 54 для удаления диоксида углерода, в котором диоксид углерода отделяется от остальных компонентов потока восстановительного газа с помощью соответствующих средств, например, таких как растворы жидких абсорбентов (горячие растворы карбонатов, растворы аминов или т.п.), с помощью устройств для адсорбции с колебанием давления (PSA - pressure swing adsorption) или предпочтительно с помощью устройств для адсорбции с колебанием объема (VSA - volume swing adsorption). Диоксид углерода отделяется и отводится по трубе 56 для использования его различными способами.

После освобождения от диоксида углерода рециркулирующий газ проходит по трубе 18, тем самым цикл завершается. Содержащую оксиды железа руду 60 в виде комков или окатышей подают в реактор 10 через верхнюю часть зоны 12 восстановления, и указанная руда вступает в реакцию с горячим восстановительным газом, проходящим в противотоке по отношению к руде, и в конце концов выгружается в виде железа 62 прямого восстановления с желательным содержанием углерода.

При желании железо прямого восстановления можно выгружать из реактора 10 для восстановления при высокой температуре, например при температуре свыше приблизительно 500^oС, или его можно выгружать при температуре ниже приблизительно 100^oС путем охлаждения железа прямого восстановления в нижней части реактора за счет циркуляции потока охлаждающего газа, обычно природного газа, в контакте с железом прямого восстановления. С этой целью поток природного газа подают в зону 14 выгрузки из соответствующего источника 64, и при необходимости этот поток может быть возвращен обратно в зону охлаждения путем рециркуляции, или в противном случае его можно использовать в целях восстановления путем транспортировки газа по трубе 66 в контур восстановления, используемый для газа, подаваемого в зону 12 восстановления реактора 10. Кроме того, в целях охлаждения часть восстановительного газа, прошедшего через компрессор 50, может быть отведена из трубы 52, и эту часть можно пропустить по трубе 68, при этом в конце концов указанная часть будет подана в зону 14 охлаждения и выгрузки без смешивания с природным газом 64 или объединенная с природным газом.

Далее описан пример реализации заявленного способа на демонстрационной установке, имеющей производительность в диапазоне от 23 до 25 метрических тонн железа прямого восстановления в день: восстановительный газ с объемным содержанием воды от 5% до 9,5% и температурой в интервале от 935^oС и 969^oС смешивали с кислородом, и его температура поднималась до значений в интервале от 1013^oС до 1057^oС. Затем этот газ подавали в реактор для восстановления, и он вступал в реакцию с оксидами железа для получения железа прямого восстановления с постоянным уровнем металлизации от 93,18% до 93,28% и содержание углерода в получаемом железе прямого восстановления было обратно пропорционально количеству воды в восстановительном газе и находилось в интервале от 1,15% до 3,64%. Количество диоксида углерода в восстановительном газе перед смешиванием его с кислородом составляло от 4,97% до 5,46%. Это количество диоксида углерода можно считать практически постоянным. Средний расход восстановительного газа до смешивания с кислородом составлял 2207 нормальных кубических метров на тонну железа и средний расход кислорода, смешанного с восстановительным газом, составлял 57 нормальных кубических метров на тонну железа. Расход природного газа, подаваемого как исходный материал в систему для восстановления, составлял 265 нормальных кубических метров на тонну железа. В одном периоде работы установки состав восстановительного газа в объемных процентах перед смешиванием его с кислородом был следующим: водород 48,25; монооксид углерода 14,52; диоксид углерода 5,02; метан 25,62; азот 0,97; вода 4,97; этан 0,61 и пропан 0,06. При вышеуказанном составе содержание углерода в получаемом железе прямого восстановления составляло 3,64%, а его металлизация составляла 93,18%.

Из вышеприведенного описания очевидно, что согласно изобретению разработан способ, который позволяет достичь нескольких целей изобретения, сформулированных выше. Таким образом, согласно изобретению разработан новый высокоэффективный способ получения железа прямого восстановления с заданным и точно регулируемым содержанием углерода без применения печи для реформинга для получения восстановительного газа и с обеспечением энергии для науглероживания железа прямого восстановления за счет частичного сжигания с кислородом восстановительного газа, поступающего в реактор для восстановления.

Естественно, следует понимать, что предусмотрено, что вышеприведенное описание служит только целям иллюстрации и что могут быть выполнены многочисленные изменения в структуре описанной системы и в ее режиме работы, не отходя от объема изобретения на основе формулы изобретения.