CZ281178B6 - Způsob redukce materiálu obsahujícího oxid kovu a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Předběžně redukovaný produkt vhodný pro konečnou redukci se vyrábí z materiálu obsahujícího oxid kovu tak, že se materiál předehřívá ve fluidním loži prostřednictvím horkých plynů z následujícího stupně předběžné redukce. Horký materiál se taví a předběžně redukuje v plamenné komoře za použití horkých redukčních plynů z následujícího stupně konečné redukce. Předběžně redukovaný materiál se úplně redukuje ve stupni konečné redukce. Je popsáno též zařízení k provádění tohoto postupu.ŕ

Description

Způsob redukce materiálu obsahujícího oxid kovu a zařízení k provádění tohoto způsobu *

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu předehřívání a předběžné redukce materiálu obsahujícího oxid kovu, jako například upravené rudy nebo rudného koncentrátu, při němž se získává předredukovaný produkt, který se hodí pro konečnou redukci. Zejména se vynález týká způsobu, při němž se materiál obsahující oxid kovu přivádí do plamenné komory umístěné nad konečnou redukční zónou a v plamenné komoře se alespoň zčásti vytaví a předredukuje. Materiál v plamenné komoře se uvádí do rotačního pohybu a potom se vede dolů do stupně konečné redukce.

Vynález se také týká zařízení pro předehřívání a předběžnou redukci materiálu obsahujícího oxid kovu, jako je upravená ruda nebo rudný koncentrát, v němž se vyrábí produkt vhodný pro konečnou redukci. Vynález se týká zejména zařízení obsahujícího plamennou komoru, jejíž výpust vytaveného a předredukovaného materiálu, umístěná v dolní části plamenné komory, je spojena se zónou, v níž se provádí konečná redukce. Zařízení obsahuje přívody pro uvádění předehřátého materiálu obsahujícího oxid kovu do plamenné komory a zařízeni, které uvádí materiál obsahující oxid kovu do rotačního pohybu uvnitř plamenné komory.

Dosavadní stav techniky

Byly již navrženy způsoby přímé redukce materiálů obsahujících oxid kovu za vzniku roztaveného kovu, například způsoby, při nichž se oxid kovu redukuje v taviči lázni v přímém kontaktu s roztaveným kovem pomocí uhlíkaté látky, rozpouštěné v taveniné. Oxid kovu se uvádí do tavící lázně spolu s uhlíkem nebo olejem. Reakce v taveniné, probíhající podle schéma

C + MeO ----^:------------> Me + CO, je endothermická a vyžaduje přídavné teplo. Teplo se může vytvářet například spalováním oxidu uhelnatého, který vzniká při redukčním procesu.

Je však do značné míry obtížné přenést teplo uvolněné spalováním oxidu uhelnatého do taveniny. Byly navrženy různé metody usnadňující přenos tepla do taveniny a oxidu kovu. Bylo navrženo provádět redukci v rotujícím reaktoru, přičemž teplo vzniklé při spalování by se sdílelo s taveninou prostřednictvím vyzdívky pece. Tento způsob by vyžadoval masivní vyzdívku pece.

Také bylo navrženo dodávat teplo potřebné pro redukční proces prostřednictvím elektrické energie. Podle tohoto způsobu by se tepla vzniklého při spalování plynů vzniklých při redukčním procesu využívalo pro tvorbu elektrické energie, které by se úplně nebo zčásti používalo pro zahříváni taveniny. I kdyby se však využilo veškerého tepelného obsahu výfukových plynů, nestačila by elektrická energie z nich vyrobená k pokrytí jak energetických nároků redukčního procesu, tak tepelných ztrát. Bylo by zapotřebí přídavné energie. Pro předehřívání a/nebo předběžnou redukci ma

-1CZ 281178 B6 teriálu obsahujícího oxid kovu nebo pro tvorbu elektrické energie za účelem pokrytí tepelných nároků reaktoru se může používat přídavných paliv.

Do rozsahu dosavadního stavu techniky patří i postup, zveřejněný například ve švédském patentu SE 419 129, přičemž se úplně nebo částečné redukuje jemně rozdělený materiál obsahující oxidy železa v reaktoru s cirkulujícím fluidnim ložem, který zahrnuje jednak horní a jednak dolní reakční komoru, které jsou spolu propojeny. Koncentrát železné rudy se uvádí do dolní reakční komory. Uhlíkatá látka se uvádí do horní komory a jednak poskytuje redukční plyn potřebný pro redukci a jednak uspokojuje tepelné nároky reaktoru částečným spálením. Spalovací vzduch se uvázlí do horní reakční komory. Spaliny, které se odtahují z reaktoru a čistí, se recirkulují do dolní reakční komory, kde se jich využívá pro fluidizaci lože reaktoru a jeho redukčního činidla. Redukce v cirkulačním fluidnim loži probíhá při teplotě nižší než je teplota táni železa. Podle příkladu uvedeného v patentu se práškovité uhlí přivádí v množství 700 kg na tunu železa.

Kinetika redukční reakce

Fe₂O₃ --------------> FeO je při nízkých teplotách nepříznivá, což se projevuje v reaktorech s fluidnim ložem, například shora popsaného typu. Při teplotě 800 °C se dosahuje reakční doby řádově několika minut, popřípadě až několika desítek minut, v závislosti na granulometrii a požadovaném stupni redukce. Zvýšení teploty, které by se projevilo přijatelnou reakční rychlostí, nepřichází v reaktoru s cirkulujícím fluidnim ložem v úvahu, protože by se současně zvýšila tendence částic ke spékáni.

Předběžná redukce kovového oxidu, prováděná při teplotě 800 ’C v reaktoru s fluidnim ložem, vyžaduje, aby měl redukční plyn určitý redukční potenciál. Ve stavu rovnováhy to vede ke skutečnosti, že i vypouštěný plyn bude obsahovat značné množství redukujících složek, jako oxidu uhelnatého a vodíku. Recirkulací plynu, spojenou m.j. s oddělováním oxidu uhličitého a vody, je možno lépe využit redukujících složek. Prostřednictvím zplyňováni části uhlíkatého redukčního činidla ve fluidnim loži je sice možno zajistit dostatečný redukční potenciál, ale bez jiných současných opatřeni by došlo ke zhoršení energetické účinnosti postupu.

Do rozsahu dosavadního stavu techniky spadá i postup popsaný ve švédském patentu SE 395 017, při němž se materiál obsahující oxid kovu předběžně redukuje v šachtě v roztaveném stavu, tj. při vyšších teplotách než jsou teploty uvedené shora. V horní části šachty, kde převládají oxidační podmínky atmosféry, se vytváří teplo spalováním pevných, kapalných nebo plynných paliv. Materiál obsahující kovové oxidy se nechá v šachtě spadnout dolů, aby se ohřál a roztavil kontaktem se vzniklými horkými plyny. Materiál se spalinami částečně předredukuje. Hlavni část redukce však probíhá v dolní části šachty pomoci uhlíkatého redukčního činidla, které se uvádí do horní části šachty. V horní části šachty dochází k jeho koksováni a potom redukční činidlo propadne do dolní části šachty, kde vytváří redukční atmosféru. Části uhlíkatého redukčního materiálu uváděného do horní části šachty se také vy

-2CZ 281178 B6 užívá pro tvorbu tepla. Jinými slovy, šachta musí být zásobována energií jak pro zahřátí, tak i pro roztaveni a redukci materiálu obsahujícího kovové oxidy. Výfukové plyny budou v důsledku toho obsahovat velké množství energie. Problémem tohoto procesu je, jak optimalizovat využití této energie.

Vzhledem k tomu, že plyny pohybující se vzhůru šachtou obsahují navíc stržené kapky roztavených kovových oxidů a pevné částice redukčního činidla, kovových oxidů a popřípadě jiných pomocných látek používaných v procesu, je čištění výfukového plynu spojeno s velkými obtížemi. Částice oxidů kovů se mohou od výfukových plynů oddělit přednostně po ochlazeni plynů na takovou teplotu, při níž všechny roztavené částice ztuhnou a již nemohou ucpávat odlučovač částic a čistič plynu, s výhodou na teploty pod 1 000 °C. Po ochlazení a oddělení se mohou částice do procesu vracet, ale musí se znovu zahřívat, což má za následek pokles energetické účinnosti. I chlazení plynů na teplotu pod 1 000 ’C je spojeno s praktickými problémy, spojenými například s regenerací tepla.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto vynálezu je zlepšit shora popsané způsoby předběžné redukce.

Úkolem tohoto vynálezu je také poskytnout způsob umožňující využít energetického obsahu plynů vytvořených v dílčích procesech pro celý proces, za účelem minimalizace nároků na energii při výrobě roztaveného kovového produktu.

Úkolem vynálezu je tedy poskytnout způsob hospodárněji zužitkuj ící energii s lepší kinetikou redukce.

Dalším úkolem vynálezu je poskytnout způsob, pomocí něhož by bylo možno snadno oddělovat pevné a roztavené částice odváděné ze stupně předběžné redukce v plamenné komoře od výfukových plynů a jednoduchým způsobem je vracet do stupně předběžné redukce. Tím by bylo možno snížit množství vzniklých výfukových plynů a současné zvýšit jejich čistotu.

Problémy, se kterými se střetávají shora popsané postupy předběžné redukce, jsou podle vynálezu vyřešeny překvapivé jednoduchým způsobem tak, že se materiál obsahující oxid kovu uvádí do reaktoru obsahujícího fluidní lože a připojeného k plamenné komoře a v tomto reaktoru se zahřívá před tím, než se uvádí do plamenné komory. Horké plyny z plamenné komory se uvádějí do dolní části reaktoru, jako fluidizační plyny. Horké plyny současně materiál v reaktoru předehřívají. Materiál obsahující oxid kovu se předehřívá ve fluidním loži a potom se odděluje od výfukových plynů vystupujících z reaktoru a buď se vrací do reaktoru, nebo se uvádí do plamenné komory. Potom se zavedený předehřátý materiál obsahující oxid kovu roztaví a/nebo předredukuje v plamenné komoře za použiti horkých redukčních plynů z konečného stupně redukce .

Předehřívání a předběžná redukce materiálu obsahujícího oxid kovu se podle vynálezu může provádět v zařízení, které zahrnuje reaktor s fluidním ložem, který je propojen s horní částí plamen

-3CZ 281178 B6 né komory, přičemž v tomto reaktoru se materiál obsahující oxid kovu předehřívá před uváděním do plamenné komory. Reaktor je v dolní části vybaven přívodem horkých výfukových plynů z plamenné komory a jeho horní část je spojena s odlučovačem částic, v němž se předehřátý materiál obsahující oxid kovu odděluje od plynů opouštějících reaktor. Odlučovač částic je v dolní části připojen vratným potrubím k dolní části reaktoru a přívodním potrubím k plamenné komoře. Plamenná komora je přednostně v dolní části připojena ke vstupnímu potrubí horkých redukčních plynů přicházejících z komory, v níž probíhá konečná redukce.

Předehřátý materiál obsahující oxid kovu se podle vynálezu může v plamenné komoře tavit přímo působením tepelného obsahu horkých plynů postupujících směrem vzhůru ze stupně pro konečnou redukci, přičemž materiál obsahující oxid kovu se přednostně uvádí do spodní části plamenné komory. Materiál obsahující oxid kovu se uvádí takovým způsobem, aby se dosáhlo co nej lepšího kontaktu mezi materiálem a plyny postupujícími směrem vzhůru, takže může v dolní části plamenné komory docházet k tavení a předběžné redukci materiálu. Plyny postupující směrem vzhůru unášejí roztavený a předehřátý materiál do vyšších částí plamenné komory, kde je materiál uváděn do rotačního pohybu a vrhán proti sténám plamenné komory. Předredukovaný materiál potom v roztaveném stavu teče směrem dolů do stupně konečné redukce.

Předehřátý materiál se také může tavit za použití tepla vzniklého spálením části nebo celého množství redukčních plynů v samotné plamenné komoře. Předběžné spalování může probíhat v horní nebo dolní části plamenné komory, v závislosti na umístění přívodu média podporujícího hoření. Na spalování se může použít vzduchu, vzduchu obohaceného kyslíkem a podobně.

Plyny vyrobené ve stupni konečné redukce se přednostně vedou vzhůru a vstupuji do spodní části plamenné komory otvorem, kterým se s ním vypouští roztavený materiál obsahující oxid kovu dolů do stupně konečné redukce. V některých případech se však plyny mohou do plamenné komory zavádět vstupními otvory umístěnými na bocích nebo v horní části plamenné komory. Musí se zajisti dobfý kontakt mezi plyny a předehřátým materiálem obsahujícím oxid kovu.

Redukční plyny z konečného stupně redukce se mohou zčásti nebo úplné spalovat v plamenné komoře a může se jich využívat jak pro taveni, tak pro redukci předehřátého rudného koncentrátu, aniž by to mělo škodlivý účinek na proces předběžné redukce v plamenné komoře. To vyplývá ze skutečnosti, že ke spalování a předběžné redukci dochází v různých zónách plamenné komory. Tím se maximálně využije redukčního potenciálu plynů a redukční potenciál odcházejících plynů se sníží na minimum.

V závislosti na podílu redukčního plynu spotřebovaného při spalování se může přidávat jiné redukční činidlo, aby se uspokojily požadavky na redukční činidlo při předběžné redukci materiálu obsahujícího kovový oxid. Podle jednoho provedení vynálezu se jako redukčního činidla používá uhlíkatého materiálu. Uhlíkatý materiál se uvádí do plamenné komory přednostně současné s plynem podporujícím hoření. Plyn podporující hoření spaluje redukční plyny postupující směrem vzhůru. Přitom vznikají horké plameny a zóny s vysokým potenciálem hoření, přednostně uprostřed plamen

-4CZ 281178 B6 né komory. Spalovat se mohou i těkavé látky obsažené v uhlí. Doba setrvání uhlí v horkém plameni přednostně nepostačuje k tomu, aby uhlí v příliš velkém rozsahu shořelo, ale postačuje jen pro jeho koksování. Materiál obsahující oxid kovu se uvádí takovým způsobem, že přichází do styku s horkými plameny a taví se. Tavenina a vzniklý koks se uvádějí do rotačního pohybu a jsou vrhány proti stěně plamenné komory.

Částice koksu přispívají k vytvoření redukční zóny u stěn plamenné komory, přičemž oxid kovu se redukuje převážně v roztaveném stavu. Plyny u stěny plamenné komory nemusí nutně být v rovnováze s plyny uprostřed plamenné komory.

Pokud se do plamenné komory uvádí přídavné redukční činidlo, které je například tvořeno uhlíkatým materiálem, mělo by přednostně mít dostatečně velkou velikost částic, aby ihned nedošlo k jeho shoření v plameni, ale aby se pouze změnilo na koks. Uhlíkatý materiál v nespáleném stavu je potom vrhán na stěnu plamenné komory a tam se jakožto částice koksu mísí s taveninou oxidu kovu. Přítomnost částic koksu způsobuje, že bubliny plynu obsažené v taveniné a vrstva plynu nad taveninou má vysoký redukční potenciál. To má za následek, že po povrchu stěny stéká několik mm tlustá spojitá vrstva roztaveného předběžně redukovaného oxidu kovu.

V provedení vynálezu popsaném shora je plamenná komora přednostně tvarována jako cyklon, v němž se pevné a kapalné částice oddělují od plynů. Střední doba setrvání plynů uvnitř plamenné komory činí několik desetin sekundy. Přes krátkost doby setrváni jsou plyny schopny předat své teplo částicím, takže dojde k jejich roztaveni, je to způsobeno turbulencí v cyklonu. Turbulence povzbuzuje přenos tepla vyzařováním a vedením na suspendované částice. Doba setrvání roztaveného oxidu kovu a koksovaného redukčního činidla v plamenné komoře činí několik sekund, což je doba, po kterou zůstane materiál zachycen na stěnách.

Tak například se může do plamenné komory o horním průměru (dl) 2 460 mm a dolním průměru (d2) 1 920 mm a výšce (h)

700 mm uvádět 7,5 t/h rudného koncentrátu. Teplota v plamenné komoře je 1 600 až 1 700 °C. Na stěně komory vzniká roztavená předredukovaná vrstva. Doba setrvání plynů činí asi 0,2 sekundy. Tavenina stékající po stěně dolů, zůstává však v plamenné komoře přibližně po dobu 10 sekund. K předběžné redukci v plamenné komoře dochází rychle, protože materiál obsahující oxid kovu díky předehřátí rychle dosáhne teploty příznivé pro redukci. Jinými slovy, materiál obsahující oxid kovu má již poměrně vysokou teplotu při svém zaváděni do předredukčního stupně. Materiál se předehřivá, ale jen na teplotu nižší než je teplota, při níž se stává lepivým, aby se zabránilo aglomeraci ve fluidním loži. Vhodná teplota obvykle leží v rozmezí od 600 do 950 C. Zejména v tom případě, že se látka obsahující oxid kovu zavádí do plamenné komory v těsném styku s horkými plameny nebo s horkými redukčními plyny, se materiál rychle zahřeje na teplotu vhodnou pro předběžnou redukci, takže tato probíhá velmi rychle.

Tak například reakce

Fe₂O₃ ---------> Fe₃O₄ ---------> FeO

-5CZ 281178 B6 proběhne při teplotách nad 1 200 až 1 300 ’C téměř samovolně.

Jednou z hlavních výhod způsobu podle vynálezu je zlepšená energetická hospodárnost. Když se oxidy kovů zavádějí do plamenné komory předehřáté, jsou požadavky na přídavnou energii dodávanou z vnějšku na předběžnou redukci a tavení sníženy na nejmenší možnou míru. Také energetické nároky v samotném stupni konečné redukce jsou minimalizovány, protože se oxidy kovů zavádějí do tohoto stupně předredukované a převážně v roztaveném stavu.

Energetického obsahu vyrobených plynů se využívá v maximální míře. Předně, tepelného obsahu se optimálně využívá při předehřívání rudného koncentrátu ve fluidním loži a za druhé předehřívání je možno provádět za použití plynů, které jsou prakticky úplně spáleny. Při způsobech podle dosavadního stavu techniky prováděných ve fluidním loži, se předehřívání přednostně provádí za použití redukčních plynů. Výfukové plyny při těchto postupech mají ještě značný energetický obsah, kterého nebylo možno optimálně využít.

Předběžná redukce oxidu kovu v pevné fázi, jaká se provádí například ve fluidním loži, by vyžadovala vyšší obsah oxidu uhelnatého v redukčních plynech. To by mělo za následek zvýšenou poptávku po redukčních plynech z konečného stupně redukce a v důsledku toho zvýšenou poptávku po uhlíku ve stupni konečné redukce.

Předběžná redukce v tavenině podstatně snižuje potřebu redukčního činidla. Kdyby byla na druhé straně předběžná redukce prováděna ve fluidním loži, potřeba uhlíku by byla podstatně vyšší, aby se udržel dostatečný redukční potenciál plynu. Při předběžné redukci v roztaveném stavu, prováděné při teplotě 1 500 °C, obsahující výfukové plyny z předběžné redukce pouze asi 5 % oxidu uhelnatého, zatímco, když by se předběžná redukce prováděla v pevném stavu při 800 °C, například ve fluidním loži, obsahovaly by výfukové plyny ještě asi 30 % oxidu uhelnatého.

Konečná redukce roztaveného oxidu železnatého na kov přirozeně vyžaduje méně energie než konečná redukce pevného oxidu železnatého. Ve stupni konečné redukce probíhá redukce oxidu železnatého uhlíkem přes oxid uhelnatý, přičemž vzniklý oxid uhličitý se ihned konvertuje na oxid uhelnatý v důsledku přítomnosti uhlíku v reakčním prostředí. Z reakční zóny se tak v podstatě získává oxid uhelnatý. Když se do vlastní lázně uvádí kyslík nebo vzduch, vzniká při hoření pouze oxid uhelnatý. Nad povrchem lázně však může docházet k úplnému spálení oxidu uhelnatého. Hoření nad povrchem lázně představuje přídavný zdroj tepelné energie pro lázeň. Plyn nad lázní může obsahovat až do 60 % oxidu uhličitého, aniž by to mělo škodlivý účinek na konečnou redukci. Vytvořený plyn stále ještě obsahuje dostatečné množství oxidu uhelnatého, aby to pokrylo požadovaný redukční potenciál a požadavky na teplo v plamenné komoře. Požadavky na teplo ve fluidním loži jsou diky předehřívání rudného koncentrátu menší, než kdyby byl rudný koncentrát uváděn do stupně předběžné redukce bez předehřívání.

Požadavky na energii a spalování uhlí jsou při způsobu podle vynálezu podstatné nižší než při způsobu, při němž se předběžná redukce provádí ve fluidním loži, v němž se spaliny a plyny pro

-6CZ 281178 B6 předběžnou redukci misí. Podle SE patentu 419 129 se uvádí celková spotřeba uhlí 700 kg/t železa, přičemž velká část energie spotřebovaného uhlí je obsažena ve výfukových plynech jako spalné teplo. Spotřeba uhlí při způsobu podle vynálezu je přibližně 400 až 500 kg/t železa. Do stupně předběžné redukce se může dodávat asi 5 až 30 % z tohoto množství.

Další výhodou způsobu podle vynálezu je podstatně menší objem výfukových plynů, kterého se při něm dosahuje ve srovnání s jinými podobnými postupy. To je důsledkem snížené spotřeby uhlí. Mimoto, protože jsou výfukové plyny odcházející z reaktoru s cirkulačním ložem v podstatě úplně spáleny, vynález přispívá k tomu, že postup je šetrnější k životnímu prostředí. Při způsobu podle vynálezu je možno se vyhnout problémům s ochlazenými, jedovatými a výbušnými plyny, například nespálenými plyny obsahujícími oxid uhelnatý a vodík. Z čistě inženýrského hlediska to umožňuje použiti jednodušších konstrukcí. Při způsobech, při nichž vznikají nespálené plyny, se tyto plyny obvykle v některém ze závěrečných stupňů spaluji se vzduchem, což vede k velkým objemům výfukových plynů a v důsledku toho i vyšším nákladům. Kromě toho spalování vzduchem přispívá ke zvýšenému obsahu oxidů dusíku ΝΟ_χ ve výfukových plynech.

•Použití fluidního lože má pozoruhodně výhodný účinek na množství prachu ve výfukových plynech. Roztavené kapky a částice stržené plyny vycházejícími z plamenné komory se zachytí v částicích chladného rudného koncentrátu a okamžitě ochladí na teplotu reaktoru a nezpůsobují tedy potíže při čištění nebo recirkulaci plynů do plamenné komory. Případné částice uhlí odcházející v proudu výfukových plynů jsou zachyceny stejným způsobem a vráceny do plamenné komory.

Příklady provedení vynálezu

V následující části popisu je vynález podrobněji popsán za použití připojených výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno zařízení pro provádění způsobu podle vynálezu, na obr. 2 je znázorněna ve zvětšeném měřítku stěna plamenné komory, na obr. 3 je znázorněno jiné provedení zařízení podle vynálezu a na obr. 4 je znázorněno ještě další provedení zařízeni podle vynálezu.

Na obr. 1 je schematicky znázorněno zařízení, které obsahuje plamennou komoru 1 a reaktor 2 s fluidním ložem umístěný nad plamennou komoru 1. Reaktor 2 je připojen k odlušovači 2 částic. Plamenná komora 1 je umístěna nad reaktorem 4 pro konečnou redukci, například konvertorem, který je ve své horní části propojen spojovacím otvorem 5 s dolní částí plamenné komory 1.

Materiál 6, obsahující oxid kovu, například upravená ruda nebo rudný koncentrát, obsahující železo, který se má redukovat, se uvádí do dolní části reaktoru 2. Současně proudí horké plyny o teplotě přibližně 1 400 až 1 800 C z plamenné komory 1, umístěné pod ním, otvorem 7 do reaktoru 2, přičemž fluidizují rudný koncentrát, který se tam uvádí. Teplota v plamenné komoře a tedy i teplota výfukových plynů se mění v závislosti na tom, které oxidy kovů se podrobují předběžné redukci. Oxidy niklu vyžaduji vyšší a oxidy médi nižší teploty než jsou teploty uvedené shora. Rudný koncentrát se zahřívá horkými plyny v reaktoru 2 na teplotu

-7CZ 281178 B6 nižší než je teplota, při níž dochází ke slepování materiálu. Teplota, na niž se koncentrát zahřívá, obvykle leží v rozmezí od 600 do 950 °C. I v tomto případě závisí teplota na tom, jaké oxidy kovů se předehřívají. Oxidy niklu vyžadují vyšší a oxidy mědi nižší teploty než oxidy železa. Když je teplota přecházejících redukčních plynů příliš vysoká, může se snížit ihned po nebo před uvedením do reaktoru s cirkulujícím ložem, například recirkulací části přečištěných a ochlazených výfukových plynů. Normálně se používá celého množství plynu z plamenné komory pro zahřívání rudného koncentrátu. Když však má teplota koncentrátu v reaktoru s fluidním ložem tendenci příliš stoupat, může se části výfukových plynů z plamenné komory používat místo toho k předehřívání vzduchu, paliva nebo struskotvorné přísady.

Rudný koncentrát musí být ve formě částic o velikosti vhodné pro předehřívání a redukci. Ve většině případů se jako vhodné ukázaly být částice o průměru pod 1 mm. Fluidizační plyny unášejí rudný koncentrát do horní části reaktoru 2 a potrubím 8 z reaktoru 2 ven do odlučovače 2 částic. Odlučovač částic znázorněný na výkresu je vertikální odlučovač cyklonového typu. K tomu účelu se však může používat i jiných separátorů nebo separačních systémů. Vyčištěné výfukové plyny se z odlušovače 2 odtahují výpustí 9. Oddělené částice se odtahují z dolní části cyklonového odlučovače buď vratným potrubím 10 nazpět do reaktoru 2 s fluidním ložem, nebo přírodním potrubím 11 do plamenné komory. Poměr recirkulovaného materiálu k materiálu, který se uvádí přímo do plamenné komory je možno regulovat regulačním zařízením 12. V některých případech není zapotřebí žádné recirkulace do reaktoru, ale pro dosažení rovnoměrného a rychlého zahřátí rudného koncentrátu je ve většině případů výhodné cirkulující lože. Masivnost cirkulujícího lože má stabilizační účinek na sdílení tepla v reaktoru, aniž by došlo k ovlivnění jeho energetické rovnováhy. Doba setrvání částic v cirkulačním loži se prodlouží a lze ji snadno regulovat, což se projevuje v tom, že proces je velmi mnohotvárný.

Redukční činidlo 13 ve formě částic, jako uhlí nebo koks, a plyn 14 podporující hoření, jako vzduch, vzduch obohacený kyslíkem, například vzduch obsahující více než 17 % kyslíku nebo plynný kyslík se mísí s materiálem v potrubí 11. Při způsobu podle vynálezu se může používat i méně hodnotných uhlíkatých redukčních činidel, jako je rašelina, lignit a uhlí. V některých případech mají redukční plyny z reaktoru 4 pro konečnou redukci dostatečný redukční potenciál pro předběžnou redukci koncentrátu železné rudy. V takových případech není nutno do plamenné komory uvádět redukční činidlo. Do plamenné komory nebo do reaktoru s fluidním ložem je možno spolu s rudným koncentrátem nebo přímo zvláštními přívody uvádět také struskotvorné přísady a tavidla. Také uhlí a kyslík se mohou přímo uvádět zvláštními přívody do plamenné komory.

Potrubí 11 je před vstupem do plamenné komory rozděleno do několika dílčích potrubí .15, kterých bývá například 2 až 8 a které jsou uspořádány do kruhu a vstupují do plamenné komory tryskou 16. Když je reaktoru s fluidním ložem opatřen několika paralelními odlučovači částic, může potrubí 11 vstupovat do plamenné komory 1 z každého jednotlivého odlučovače zvláštní tryskou.

-8CZ 281178 B6

Ve znázorněném provedení jsou trysky uspořádány do kruhu v dolní části plamenné komory 1. Trysky orientují materiál uváděný do plamenné komory šikmo nahoru a dovnitř, tangenciálně k imaginárním horizontálním kruhům uvnitř plamenné komory, kde kruhy mají průměr menší než je průřez plamenné komory.

Horké redukční hořlavé plyny, jako oxid uhelnatý a vodík z reaktoru 4 pro konečnou redukci proudí otvorem 5 směrem vzhůru do plamenné komory 1. Vzduch nebo kyslíkatý plyn, uváděný tryskami 15 se dobře promísí s hořlavými plyny a účinně spálí plyny postupujícími směrem nahoru v oxidační zóně uprostřed plamenné komory. Tím se vytvoří teplo potřebné pro roztavení materiálu obsahujícího oxid kovu. Plyn uváděný do plamenné komory šikmo směrem nahoru a dovnitř a tangenciálně vjíodnou rychlostí vyvolává cyklonový účinek, kterým se materiál uvnitř plamenné komory 1 uvádí do rotačního pohybu, což má za následek účinné promíseni plynu a částic. Roztavený materiál obsahující oxid kovu je zároveň vrhán směrem ven proti stěně 18 plamenné komory, za vzniku tenké vrstvy taveniny 19 oxidu kovu. Koksové částice 20 , které se nespálily, se smísí s taveninou 19 oxidu kovu. Přitom dochází ke kontinuální redukci, při níž vznikne v blízkosti stěny na tavenině a zčásti v ni tenká redukční vrstva plynu 21. Část částic obsahujících koks postupuje s taveninou do reaktoru 4 pro konečnou redukci.

Materiál, který se má uvádět do plamenné komory, se může přirozené uvádět otvory ve stěnách nebo v horní části plamenné komory, aniž by se použilo pravidelných trysek. Přednostně se materiál do plamenné komory uvádí tak, aby byl orientován v požadovaném směru. Všechen materiál, například rudný koncentrát a kyslík nebo také vzduch, se nemusí mísit před plamennou komorou, důležité je však, aby došlo k účinnému promíseni plynu podporujícího hoření s plyny v plamenné komoře a aby mohl materiál obsahující oxid kovu účinně absorbovat teplo plamenů.

Stěny plamenné komory jsou přednostně membránového typu a trubkami v nich proudí voda nebo pára. Membránová stěna ochlazuje vrstMM taveniny oxidu kovu přiléhající k ní, která ztuhne a vytvoří pevnou vrstvu. Tato pevná vrstva chrání stěnu před opotřebením. Roztavený oxid kovu kontinuálně stéká po stěně a v roztaveném a předběžné redukovaném stavu teče do reaktoru 4 pro prováděni konečné redukce, například konventoru, který je připojen k plamenné komoře.

Redukční plyny postupující směrem vzhůru plamennou komorou úplné shoří v oxidační zóně plamenné komory působením zavedeného kyslíku a dále se vedou otvorem 7 z plamenné komory 1 do reaktoru 2.

Na obr. 1 je znázorněno zařízení vybavené prostředkem pro uvádění materiálu do dolní části plamenné komory. V některých případech by se mohla dávat přednost uvádění materiálu do střední nebo horní části plamenné komory. I v tomto případě jsou trysky orientovány tak, aby se redukční plyny postupující vzhůru spálily v horkých plamenech uprostřed plamenné komory za současného zachování redukční vrstvy u stěn komory.

-9CZ 281178 B6

Na obr. 3 je znázorněno provedení zařízení podle vynálezu, v němž jsou trysky 16 uspořádány do kruhu v horní části plamenné komory. Trysky orientují materiál šikmo dolů a dovnitř a tangenciálně vůči imaginárním horizontálním kruhům 17 uvnitř plamenné komory 1. Tyto kruhy mají menší průměr než plamenná komora. Materiál se uvádí do rotačního pohybu, který způsobuje, že je roztavený materiál vrhán proti stěnám 18 komory. Stoupající plyny a trysky mohou být orientovány tak, aby se tavenina požadovaným způsobem rozdělila na stěně.

Předběžně redukovaný a alespoň zčásti roztavený materiál obsahující oxid kovu stéká podél stěn plamenné komory do reaktoru 4 pro konečnou redukci, kterým může být například konvertor. V reaktoru 4 vytvoří úplně redukovaný kov lázeň 27 taveniny. Lázeň taveniny 27 je umístěna ve spodní části konvertoru a na hladině roztaveného kovu je strusková vrstva 26.

Ke konečné redukci předredukovaného materiálu stékajícího dolů dochází v podstatě ve vrstvě strusky a ve vrstvě mezi struskou a taveninou. Přitom vznikají redukční plyny. Ve stěně reaktoru, bezprostředně nad vrstvou strusky, jsou umístěny alespoň dvě trysky 24 pro vstřikování kyslíku nebo plynu obsahujícího kyslík potřebného pro spalováni vzniklých redukčních plynů. Trysky jsou orientovány tangenciálně k imaginárnímu horizontálnímu kruhu, který má menší průměr než reaktor. Tím se směs plynů uvnitř konvertoru uvádí do cyklonového pohybu. Plyn obsahující kyslík ofukuje povrch struskové vrstvy a spaluje redukční plyny na vrstvě strusky ihned po jejich vytvoření. Přitom se vrstvě strusky a lázni předává teplo. Přednostně se používá plynu obsahujícího 17 až 100 % kyslíku. Dobrému přenosu tepla ze spalin do lázně napomáhá dobré mícháni lázně, které se provádí například inertním plynem. Plyny vzniklé ve stupni konečné redukce, stoupají přímo do plamenné komory v protiproudu vůči stékajícímu předběžně redukovanému materiálu. V některých případech může být výhodné uvádět plyny do plamenné komory z boku. Tím je možno dosáhnout toho, že hoření v plamenné komoře probíhá hlavně v oxidační zóně plamenné komory a v plamenné komoře se udržuje i redukční zóna.

Redukční činidlo pro konečnou redukci, jako černé uhlí nebo koks, se mohou do konvertoru uvádět přívodem 28 do taveniny kovu nebo jiným přívodem do vrstvy strusky nebo nad vrstvu strusky. Kyslík se přivádí přívodem 29.

Palivo a plyn obsahující kyslík se mohou uvádět do vrstvy strusky nebo do taveniny, aby se pokryly požadavky na energii, které má konečná redukce nerostavených oxidů kovů v konventoru. Nad vrstvou strusky v konventoru se může spálit 20 až 60 % vytvořených redukčních plynů.

Když se taveniné přivádí přídavná energie pomocí elektrod, může se nad vrstvou strusky spalovat jen 4 až 20 % vytvořených plynů. Vyšší teplota by mohla poškozovat elektrody.

Pro spalováni plynu vytvořených nad vrstvou strusky se může používat plazmově ohřátého kyslíku nebo regeneračně nebo rekuperačně ohřátého kyslíkatého plynu a/nebo vzduchu. Teplo se může přenášet do taveniny prostřednictvím světelného oblouku v plynu zahřátém plazmou.

-10CZ 281178 B6

Část vzniklých plynů se může odstavovat ze stupně konečné redukce a muže se jí používat pro rekuperační a regenerační předehřívání.

Na obr. 4 je znázorněno zařízení pro poněkud odlišné provedení vynálezu. Plamenná komora 1 má v tomto případě zúžený dolní konec 34., k němuž je připojeno vstupní potrubí 11 pro předehřátý materiál obsahující oxid kovu. Cílem je v tomto případě jak roztavení tak přeredukce předehřátého materiálu pomocí horkých redukčních plynů ze stupně konečné redukce, v podstatě bez jakéhokoliv spalování horkých plynů nebo přidávání přídavného redukčního činidla. Při tomto provedení by se mělo v plamenné komoře dosáhnout velmi dobrého kontaktu mezi předehřátým materiálem a horkými redukčními plyny z reaktoru 4 pro konečnou redukci. Dolní část plamenné komory je v tomto případě zúžená, aby se zajistilo účinné míšeni. Teplota v dolní části může stoupnout na 1 000 až 1 700 ’C, při niž může rychle dojít k roztavení a redukci.

Reakce při tomto provedení vynálezu mohou probíhat prakticky bez plynu povzbuzujícího hoření, takže je možno spálit větší podíl redukčních plynů vytvořených při konečné redukci v konvertoru bezprostředně po jejich vzniku, než je tomu v tom případě, že je zapotřebí redukční plyny spalovat uvnitř plamenné komory. Spalováni plynů v konvertoru je ekonomicky výhodnější, než spalování v plamenné komoře.

Rotační pohyb materiálu v plamenné komoře, který je nutný k tomu, aby byl roztavený materiál vrhán proti sténám a aby nebyl uváděn do reaktoru 2. s fluidnim ložem, je vyvoláván uváděním výfukových plynů potrubím 33 z reaktoru s fluidnim ložem do plamenné komory. Výfukové plyny se z odlučovače 3. částic odvádějí zčásti mimo zařízení přes tepelný výměník 30 a zčásti se vedou potrubím 33 do plamenné komory 1, v níž uvádějí materiál do vířivého pohybu. Rotační pohyb se může vyvolávat i jinými prostředky, jako například uváděním plynu ze zplynovače umístěného v blízkosti plamenné komory. Plyn se může v plamenné komoře spalovat, a tím zvyšovat tepelný obsah plamenné komory.

Vynález se neomezuje na provedeni popsané shora. Pro rozsah vynálezu je určující pouze následující definice předmětu vynálezu.

Claims (17)

1. Způsob předehřívání a předběžné redukce materiálu obsahujícího oxid kovu, jako upravené rudy nebo rudného koncentrátu, za účelem výroby předběžně redukovaného produktu vhodného pro konečnou redukci, při němž se materiál obsahující oxid kovu

- uvádí do plamenné komory umístěné nad konečným redukčním stupněm,

- v plamenné komoře se materiál alespoň zčásti taví a předběžně redukuje,

- uvádí se do rotačního pohybu a

- vede se dolů do konečného redukčního stupně, vyznačující se tím, že

a) materiál obsahující oxid kovu uvádí před uváděním do plamenné komory do reaktoru s fluidním ložem připojeného k plamenné komoře, v němž se zahřívá, horké výfukové plyny z plamenné komory se vedou do dolní části reaktoru pro fluidizaci a předehřívání materiálu v reaktoru, předehřátý materiál obsahující oxid kovu se oddělí od výfukových plynů opouštějících reaktor a oddělený materiál obsahující oxid kovu se zčásti recirkuluje do reaktoru a zčásti vede do plamenné komory a

b) předehřátý materiál obsahující oxid kovu se alespoň zčásti taví a/nebo předběžně redukuje, přičemž se využívá horkých ’ redukčních plynů z konečného redukčního stupně.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se do plamenné komory uvádí plyn podporující hoření.

Způsob podle nároku 2, vyznačující že plynem povzbuzujícím hoření je vzduch.

4.

Způsob podle nároku 2, vyznačující že plynem povzbuzujícím hoření je plynný kyslík.

tím, tím,

5.

Způsob podle nároku 2, v y z n a č u j ící e

že se do plamenné komory uvádí plyn podporující hoření, redukční plyny stoupající ze stupně konečné rek roztavení materiálu obsahujícího spálily dukce a horké došlo oxid t aby m, se kovu.

Způsob podle nároku 2, vyznačující že se do plamenné komory uvádí uhlíkatá látka.

se tím,

7. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se do plamenné komory uvádí uhlíkatá látka a plyn podporující hořeni, čímž uvnitř plamenné komory vzniká horká zóna nebo, alternativně, horké plameny a redukční zóna v blízkosti stěn plamenné komory.

-12CZ 281178 B6

8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že se předehřátý materiál obsahující oxid kovu uvádí do zóny s vysokým stupněm spalováni v plamenné komoře, přičemž dochází k jeho alespoň částečnému roztavení.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že se uhlíkatá látka a plyn povzbuzující hoření uvádějí takovým způsobem, že

- vzniká horká oxidační zóna pro tavení materiálu obsahujícího oxid kovu a dochází alespoň zčásti ke koksování uhlíkaté látky a

- roztavený materiál obsahující oxid kovu a zkoksovaná uhlíkatá látka jsou vrhány směrem ven proti stěnám plamenné komory, kde se vytváří redukční zóna sloužící k redukci roztaveného materiálu obsahující oxid kovu.

10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že předehřátý materiál obsahující oxid kovu se uvádí do dolní části plamenné komory, v blízkosti místa uvádění horkých redukčních plynů z konečného stupně redukce, takovým způsobem, aby docházelo k dobrému kontaktu mezi redukčními plyny a materiálem obsahujícím oxid kovu.

11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se do plamenné komory vede plyn uvádějící materiál obsahující oxid kovu přiváděný do plamenné komory, do rotačního pohybu tak, že je roztavený materiál obsahující oxid kovu vrhán směrem ven proti stěnám plamenné komory.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že výfukové plyny v reaktoru s fluidnim ložem se recirkuluji do plamenné komory za účelem vyvolání rotačního pohybu materiálu.

13. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že v blízkosti plamenné komory zplyňuje uhlíkatá látka pro vyvolání rotačního pohybu materiálu v plamenné komoře.

14. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál obsahující oxid kovu se v plamenné komoře redukuje hlavně redukčními plyny z konečného redukčního stupně.

15. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se do plamenné komory dodává redukční činidlo pro redukci materiálu obsahujícího oxid kovu.

16. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se materiál obsahující oxid kovu předehřívá v reaktoru s fluidnim ložem na teplotu, která není vyšší než teplota, při niž dochází ke slepováni materiálu, přednostně na teplotu 600 až 950 “C.

17. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál obsahující oxid kovu, se zahřívá v plamenné komoře na teplotu, při níž je materiál z hlavní části roztavený, přednostně na teplotu 1 400 až 1 800 °C.

-13CZ 281178 B6

18. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál, který je převeden v páry a roztaven v plamenné komoře a který je popřípadě stržen výfukovými plyny z plamenné komory do reaktoru s fluidním ložem, je přinucen zkondenzovat a ztuhnout na chladnějších částicích fluidního lože nebo je jinak těmito částicemi zachycen.

19. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se roztavený kovový produkt vyrábí z materiálu obsahujícího oxid kovu ve třech po sobě následujících stupních, přičemž v prvním stupni postupu dochází k předehřátí materiálu obsahujícího oxid kovu, ve druhém stupni postupu dochází k předběžné redukci a alespoň částečnému roztavení předehřátého materiálu a

- ve třetím stupni postupu dochází ke konečné redukci předběžně redukovaného materiálu, přičemž energetického obsahu plynů vytvořených ve druhém a třetím stupni postupu se využívá ve stejném nebo v bezprostředně předcházejícím stupni postupu za účelem minimalizace požadavků na energii při výrobě roztaveného kovového produktu.

20. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že předběžně redukovaný a alespoň zčásti roztavený materiál obsahující oxid kovu se úplné redukuje v reaktoru s lázní roztaveného kovu s vrstvou strusky na hladině lázně, přičemž plyny vytvořené ve stupni konečné redukce se zčásti spalují plynem podporujícím hoření, který se zavádí tak, že ofukuje povrch vrstvy strusky.

21. Zařízení pro předehřívání a předběžnou redukci materiálu obsahujícího oxid kovu, jako rudného koncentrátu nebo upravené rudy, za účelem výroby předběžně redukovaného produktu vhodného pro konečnou redukci, zahrnující

- plamennou komoru, jejíž výpust pro roztavený a předběžně redukovaný materiál, umístěná ve spodní části plamenné komory, je přímo připojena k reaktoru pro konečnou redukci.

- prostředek pro dodávání předehřátého materiálu obsahujícího oxid kovu do plamenné komory a

- prostředek pro uváděni materiálu obsahujícího oxid kovu do rotačního pohybu uvnitř plamenné komory, vyznačující se tím, že obsahuje

a) reaktor (2) s fluidním ložem, připojený k horní části plamenné komory (1), sloužící k předehřívání materiálu obsahujícího oxid kovu před jeho uváděním do plamenné komory, přičemž

- reaktor (2) s fluidním ložem obsahuje ve své spodní části otvor (7) pro horké výfukové plyny z plamenné komory (1) a jeho horní část je připojena k odlučovači (3) částic, v němž

-14CZ 281178 B6 dochází k oddělení předehřátého materiálu od plynů opouštějících reaktor a

- separátor (3) částic je připojen k dolní části reaktoru prostřednictvím vratného potrubí (10) a k plamenné komoře (1) prostřednictvím přívodního potrubí (11) a

b) přívod horkých redukčních plynů z reaktoru (4) pro konečnou redukci je připojen k dolní části (34) plamenné komory (1).