печь для прямого восстановления оксидов железа

Формула изобретения

1. Печь гравитационного типа для прямого восстановления железной руды, содержащая вертикальную емкость, имеющую свод, верхние загрузочные средства, из которых в упомянутую вертикальную емкость вводят железную руду, серединную зону реакции, в которой происходят реакции восстановления железной руды, первые средства распределения газа, расположенные на периферии упомянутой вертикальной емкости для ввода восстановительного газа в упомянутую серединную зону реакции, нижнюю зону выгрузки, предназначенную для выгрузки полученного в результате восстановления металлического железа, и верхнюю зону предварительного нагрева и предварительного восстановления, расположенную над упомянутой серединной зоной реакции, второе средство распределения газа для ввода дополнительного восстановительного газа в упомянутую верхнюю зону, где упомянутое второе средство распределения газа содержит вертикальный наконечник, размещенный по центру упомянутой верхней зоны и снабженный радиальными соплами, отличающаяся тем, что упомянутый вертикальный наконечник поддерживается упомянутым сводом и в вертикальном направлении проходит в упомянутую верхнюю зону, по существу, из центра упомянутого свода.

2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что с учетом расположения упомянутой верхней зоны размещено отводящее устройство для восстановительного газа.

3. Печь по п. 2, отличающаяся тем, что упомянутое отводящее устройство содержит тороидную решетку, размещенную в верхней камере упомянутой верхней зоны.

4. Печь по п. 3, отличающаяся тем, что упомянутая тороидная решетка размещена соосно упомянутому дополнительному распределителю.

5. Печь по п.3, отличающаяся тем, что упомянутое отводящее устройство содержит отводящий канал, размещенный сбоку по отношению к упомянутой верхней камере, причем упомянутая тороидная решетка состоит из расположенных по окружности элементов, отстоящих друг от друга на переменный шаг, который меняется от минимальной величины в области пересечения упомянутой камеры с упомянутым отводящим каналом до максимальной величины в диаметрально противоположной области упомянутой камеры.

6. Способ прямого восстановления железной руды с использованием печи гравитационного типа, имеющей вертикальную емкость со сводом, верхние загрузочные средства и серединную зону реакции, в которой происходят реакции восстановления железной руды, и этот способ содержит этапы подачи железной руды в упомянутую зону реакции через упомянутые верхние загрузочные средства, ввода первоначального восстановительного газа в упомянутую серединную зону реакции через периферийные средства распределения газа, расположенные на периферии упомянутой вертикальной емкости, выгрузки полученного в результате восстановления металлического железа из нижней зоны упомянутой печи, отличающийся тем, что содержит этап ввода дополнительного восстановительного газа в верхнюю зону для предварительного нагрева и предварительного восстановления упомянутой железной руды, причем упомянутый дополнительный восстановительный газ вводят через вертикальный наконечник, который снабжен радиальными соплами, расположен вертикально по центру упомянутой верхней зоны и поддерживается упомянутым сводом.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что газ из печи удаляют через отводящее устройство, размещенное с учетом расположения упомянутой верхней зоны.

Описание изобретения к патенту

Область изобретения

Данное изобретение относится к печи для производства металлического железа посредством прямого восстановления железной руды, в которой железо присутствует в форме оксидов. Печь относится к гравитационному типу и снабжена верхним резервуаром, из которого вводится железная руда, крупно кусковая или в форме окатышей, и зоной выгрузки, из которой выгружается полученное в результате прямого восстановления железо. В промежуточной зоне восстановления печь снабжена, по меньшей мере, кольцевым распределителем, имеющим сопла, через который вводится восстановительный газ.

Предпосылки создания изобретения

На текущий момент в данной области техники известны печи гравитационного типа (или шахтные печи) для проведения процессов прямого восстановления, содержащие верхнюю зону загрузки, центральную зону, фактически цилиндрическую или в форме усеченного конуса, в которой происходит реакция восстановления, средства для ввода восстановительного газа в центральную зону и нижнюю зону выгрузки, коническую со схождением вниз.

Чтобы получить приемлемые рабочие параметры процесса прямого восстановления оксидов железа, необходимо в загруженном слое создать условия для равномерного распределения восстановительного газа как в периферийных зонах, так и в центральных зонах объема загруженного материала.

В противоположность сказанному в обычно используемых печах для прямого восстановления, наполненных железной рудой, потоки восстановительного газа воздействуют главным образом на периферийную зону загруженного слоя, в результате чего в разных поперечных сечениях печи существуют различные восстановительные потенциалы, что ослабляет (замедляет) процесс восстановления железа в загруженном объеме в целом. Максимальный градиент восстановительного потенциала имеется в верхней части печи, где преобладают высшие оксиды железа (Fе₂О₃, Fe₃O ₄).

Равномерное распределение газа в различных поперечных сечениях печи (на различных уровнях по высоте) зависит от гидравлического сопротивления слоя загруженного материала, используемого способа ввода восстановительного газа и отвода газа в верхней части.

Неоднородность процесса восстановления в целом по пространству печи приводит к ухудшению качества конечного продукта - железа прямого восстановления и к снижению производительности.

Из документа FR-A-1.223.457 известна печь гравитационного типа, в которой в дополнение к соплам, расположенным в периферийной стенке печи, через которые в центральную зону печи вводится восстановительный газ, имеются дополнительные сопла для ввода в печь воздуха. Такие дополнительные сопла расположены как в периферийной стенке печи, так и, возможно, в одном или более центральных элементов, размещенных в центральной зоне печи. Однако даже такое решение не устраняет упомянутых выше проблем.

В документе DE-A-2333519 описана цилиндрическая шахтная печь для прямого восстановления железной руды, которая сверху содержит загрузочное устройство и отверстие для выгрузки в основании. Между загрузочным устройством и отверстием для выгрузки расположена камера обработки с кольцеобразным поперечным сечением, которая снабжена вертикальной трубой, проходящей вдоль ее центральной продольной оси. Вокруг камеры обработки имеется три кольцевых камеры, из которых в камеру обработки вводится восстановительный газ. Вертикальная труба подразделена на три части: центральная часть и нижняя часть снабжены прорезями, через которые отработанный газ отводится из печи соответственно при помощи первого горизонтального канала и второго горизонтального канала, пересекающих камеру обработки, в то же время верхняя часть имеет конический верхний конец и снабжена прорезями, через которые в эту верхнюю часть камеры обработки вводится дополнительный газ. Дополнительный газ попадает в верхнюю часть при помощи третьего горизонтального канала, пересекающего камеру обработки. Недостатком этой печи является громоздкость и сложность, а также то, что она содержит три горизонтальных канала, которые пересекают камеру обработки на различных уровнях, создавая, таким образом, соответствующие препятствия нормальному перемещению вниз загруженной железной руды. Кроме того, недостатком этой печи является то, что центральная вертикальная труба, которая проходит фактически по всей высоте камеры обработки, уменьшает эффективный объем шахтной печи.

В других устройствах обычно используемого типа верхний отвод газа осуществляется, главным образом, через периферийные области рабочего пространства печи, что делает невозможным стабильное использование восстановительного газа в центральной зоне печи. Это также вызывает засорение отводящего канала, обусловленное накоплением примесей.

Описанные выше проблемы ограничивают диаметры обычно используемых печей и, следовательно, их производительность.

Более того, при осуществлении процессов прямого восстановления оксидов железа необходимо дробить загружаемую руду, чтобы предотвратить ее прилипание в условиях высокой температуры в переходной зоне между зоной, где происходит восстановление, и лежащей ниже зоной выгрузки.

Во время процесса восстановления в печи образуются зоны с различными температурами: от 300 до 400°С в верхней части и от 850 до 1000°С в нижних слоях зоны восстановления. Зона максимальной температуры является опасной, так как в этой зоне прилипание может ограничить итоговую производительность процесса восстановления.

На текущий момент в данной области техники известны устройства подачи загружаемого материала, которые работают непрерывно и могут использоваться только для незначительного дробления загружаемого материала вместо его полного дробления на более мелкие части, т.е. не происходит повышения проницаемости загружаемого материала для восстановительного газа и вследствие этого снижается общая эффективность процесса восстановления.

Кроме того, устройства подачи загружаемого материала не препятствуют возникновению прилипания, так как эти устройства не вызывают соответствующего движения частиц загруженного материала, а осуществляют лишь частичное отделение частей загруженного материала, которые уже прилипли.

Заявитель настоящего изобретения придумал, разработал и реализовал печь для прямого восстановления оксидов железа, соответствующую настоящему изобретению, чтобы преодолеть эти недостатки и решить до сих пор не решенные проблемы, касающиеся повышения степени проникновения восстановительного газа в загруженный материал, равномерного распределения восстановительного газа по объему загруженного материала для увеличения поверхности взаимодействия, снижения количества газа, интенсификации теплообмена и процессов изменения объема и предотвращения прилипания материала, введенного внутрь печи.

Общее описание изобретения

Далее описана соответствующая настоящему изобретению печь для производства металлического железа путем прямого восстановления оксидов железа, основные отличительные особенности которой приведены в основном пункте Формулы изобретения, а в дополнительных пунктах раскрыты другие новаторские отличительные особенности настоящего изобретения.

Соответствующая настоящему изобретению печь по типу относится к гравитационной или шахтной, в которую как материал, так и газ подаются непрерывно таким образом, чтобы создать вертикальный поток материала под действием силы тяжести и чтобы происходило прямое восстановление руды.

Печь для восстановления снабжена средствами для подачи железной руды и средствами для выгрузки полученного в результате восстановления металлического железа, а также, по меньшей мере, распределителем восстановительного газа, размещенным с учетом расположения зоны восстановления печи.

Одной из задач настоящего изобретения является создание печи для восстановления, в которой перед поступлением собственно в зону реакции введенный материал подвергается предварительному нагреву и предварительному восстановлению, в результате чего можно достичь высокой производительности и лучшего качества получаемого в процессе прямого восстановления железа.

В соответствии с этой задачей печь для восстановления, соответствующая настоящему изобретению, имеет верхнюю зону предварительного нагрева и предварительного восстановления, которая расположена выше серединной зоны реакции и в которую установлен дополнительный распределитель восстановительного газа.

Согласно одной из характеристик настоящего изобретения дополнительный распределитель содержит вертикальный наконечник, размещенный по центру верхней зоны и снабженный радиальными соплами.

Согласно другой характеристике настоящего изобретения вертикальный наконечник соединен с каналом восстановительного газа, который входит в верхнюю зону по существу из центральной части свода печи.

Другой задачей настоящего изобретения является создание печи для восстановления, в которой обеспечивается стабильное и равномерное распределение восстановительного газа по объему печи.

В соответствии с этой задачей печь для восстановления, соответствующая настоящему изобретению, содержит устройство отвода газа в верхней камере, имеющее тороидную решетку, размещенную в непосредственной близости от свода печи и связанную с отводящим каналом.

Эти и другие характеристики настоящего изобретения станут понятны из последующего описания предпочтительного варианта его реализации, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, из которых:

фиг.1 - вид сбоку с частичным сечением печи для прямого восстановления оксидов железа, соответствующей настоящему изобретению;

фиг.2 - увеличенная часть фиг.1.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации изобретения

Если обратиться к фиг.1 и 2, то видно, что печь 10 для прямого восстановления оксидов железа, соответствующая настоящему изобретению, содержит вертикальную емкость 11, выполненную по существу в форме сходящегося вниз усеченного конуса, верхний загрузочный резервуар 12, из которого удобно вводить железную руду (оксиды железа) через распределительные трубы 13, верхнюю зону 15 предварительного нагрева и предварительного восстановления, где происходит первоначальное частичное восстановление оксидов железа, серединную зону 16 реакции или реактор, где происходит реакция восстановления оксидов железа, и нижнюю зону или зону 18 выгрузки.

Вертикальная емкость 11 ориентировочно имеет высоту приблизительно 30 метров и ширину в верхней части приблизительно 9 метров.

В верхней части емкости 11 в непосредственной близости от свода 20 расположено отводящее устройство 21, содержащее камеру 22 с тороидной решеткой 23 и каналом 24.

Тороидная решетка 23 состоит из расположенных по окружности элементов, отстоящих друг от друга на переменный шаг таким образом, чтобы шаг имел минимальную величину в области пересечения камеры 22 с отводящим каналом 24 и максимальную величину - в диаметрально противоположной области камеры 22.

По центру свода 20 установлен канал 30, имеющий вертикальный оконечный элемент 31 (наконечник), снабженный радиальными соплами 32, через которые в зону 15 предварительного восстановления удобно вводить смесь восстановительного газа, которая непосредственно контактирует с вводимым в эту зону сверху загружаемым материалом.

С учетом расположения реактора 16 печь 10 снабжена двумя кольцевыми распределителями 35 и 36, каждый из которых имеет сопла 40, через которые удобно вводить поступающую соответственно из каналов 38 и 39 смесь восстановительного газа.

Таким образом, имеется два яруса восстановления, верхний и нижний, созданные в зоне 16 восстановления.

Смесь восстановительного газа и оборудование, находящееся выше по направлению течения газа относительно каналов 30, 38 и 39, могут быть любого известного типа, например, типа, описанного в международной публикации РСТ №WO-A-00/36156.

Описанная выше печь 10 работает следующим образом.

Железная руда, например в форме окатышей, вводится в печь 10 из верхнего резервуара 12 через распределительные трубы 13, в то же время восстановительный газ вводится из каналов 30, 38 и 39 и распределяется по зоне 15 предварительного нагрева и предварительного восстановления при помощи вертикального подающего устройства 31, а также по двум ярусам реактора 16 при помощи кольцевых распределителей 35 и 36.

Отводящее устройство 21 захватывает восстановительный газ вверх и стимулирует рассеивание последнего и его распределение от периферии к центру реактора 16. Отводящее устройство 21 также создает эффект циклона в верхней зоне печи поблизости от свода 20, что дополнительно стимулирует равномерное и однородное распределение восстановительного газа внутри зоны 15 предварительного восстановления и зоны 16 восстановления.

В упомянутых зонах 15 и 16 последовательно происходят различные реакции - превращение высших оксидов железа в низшие и, в заключение, в металлическое железо.

Очевидно, что применительно к описанной выше печи 10 для прямого восстановления железной руды могут быть осуществлены различные модификации и дополнения, но они должны оставаться в пределах области и объема настоящего изобретения.

Также очевидно, что хотя данное изобретение описано со ссылкой на конкретные примеры, специалист в данной области техники, несомненно, способен создать много других вариантов эквивалентных печей, но ни один из них не должен выходить за пределы области и объема данного изобретения.