RU2516316C2 - Method for direct restoration of metal-containing material - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy and may be used in process of metal recovery from their oxides by recovery gas in a shaft furnace. The method includes stabilisation and maintenance of temperature mode in zones of carburisation, internal layer conversion and recovery of the shaft furnace autonomously by heating with inductors, at the same time cold gas mixture is supplied into the zone of internal layer conversion, which is designed for conversion.

EFFECT: invention makes it possible to improve quality of metal, to reduce pollution of environment and to produce commercial combustible gas along the way.

Description

Изобретение относится к металлургической отрасли и может быть использовано в процессе получения металлов из их окислов путем восстановления восстановительным газом, полученным внутрислоевой конверсией с применением индукционного нагрева.The invention relates to the metallurgical industry and can be used in the process of obtaining metals from their oxides by reduction with a reducing gas obtained by intralayer conversion using induction heating.

Известный способ прямого восстановления металлосодержащего материала восстановительным газом в зависимости от печного агрегата делится на несколько направлений, как то восстановление в трубчатых вращающихся печах, кипящем слое, шахтных печах. Особого внимания заслуживает способ прямого восстановления окислов металлов в шахтных печах. Объясняется это непрерывностью процесса, при высокой удельной производительности и относительно низкой энергоемкости. При этом в шахтной печи осуществляется нагрев и прямое восстановление окислов металлов восстановительным газом, полученным путем конверсии смеси природного газа и колошникового в конверторе, размещенном вне шахтной печи, при температуре 1000-1100°C, которая достигается путем сжигания смеси природного и части колошникового газов (с.391-393 в книге Б.И. Бондаренко и др. Теория и технология бескоксовой металлургии. Киев, изд-во «Наукова Думка», 2003). Полученное таким образом восстановительным газом тепло заносится во внутреннюю полость шахтной печи, в результате чего происходит нагрев окислов металлов, подлежащих восстановлению. При этом расходуется около 70% их очищенного колошникового газа. Для охлаждения свежевосстановленного металла применяется смесь восстановительного и дымовых газов, которая, пройдя зону охлаждения, в смеси с природным газом поступает в восстановительную зону, где подвергается конверсии на свежевосстановленном железе (с.409-410 в книге Б.И. Бондаренко и др.). Таким образом в приведенном процессе наблюдается внутрислоевая конверсия, но только в зоне восстановления, которая обогревается теплом, выносимым восстановительным газом, нагретым вне печи.A known method for the direct reduction of metal-containing material by reducing gas, depending on the furnace unit, is divided into several directions, such as reduction in tubular rotary kilns, fluidized bed, shaft furnaces. Particularly noteworthy is the method of direct reduction of metal oxides in shaft furnaces. This is explained by the continuity of the process, with high specific productivity and relatively low energy consumption. In this case, heating and direct reduction of metal oxides by reducing gas obtained by converting a mixture of natural gas and blast furnace gas in a converter located outside the shaft furnace at a temperature of 1000-1100 ° C, which is achieved by burning a mixture of natural and some blast furnace gas ( p. 391-393 in the book of B.I. Bondarenko et al. Theory and Technology of Coxless Metallurgy. Kiev, Naukova Dumka Publishing House, 2003). The heat thus obtained by the reducing gas is introduced into the internal cavity of the shaft furnace, as a result of which the metal oxides to be reduced are heated. At the same time, about 70% of their purified blast furnace gas is consumed. To cool the freshly reduced metal, a mixture of reducing and flue gases is used, which, after passing through the cooling zone, in a mixture with natural gas enters the recovery zone, where it is converted on freshly reduced iron (p. 409-410 in the book of B.I. Bondarenko et al.) . Thus, in the above process, an intralayer conversion is observed, but only in the reduction zone, which is heated by heat carried by the reducing gas heated outside the furnace.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ прямого восстановления окислов металла (железа) (с.426-429 в книге Б.И. Бондаренко и др.), при котором внутрислоевая конверсия осуществляется во внутренней полости шахтной печи, в зоне внутрислоевой конверсии. В печи имеются зоны подогрева, восстановления, внутрислоевой конверсии, карбюризации и охлаждения, в которых происходят соответствующие технологические операции. Для запуска производственного процесса используется пусковой восстановительный газ, произведенный и нагретый в пусковом конверторе, который расположен вне печи. При достижении в зоне внутрислоевой конверсии необходимого для процесса конверсии уровня температуры, подается подлежащая конверсии газовая смесь, которая конверсируется в восстановительный газ. Эта смесь нагревается в теплообменнике, расположенном вне печи. Количество тепла, уносимого, в шахтную печь этой смесью, должно обеспечить осуществление всех технологических операций в печи.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method for the direct reduction of metal oxides (iron) (p.426-429 in the book of B.I. Bondarenko and others), in which the intralayer conversion is carried out in the internal cavity of the shaft furnace, in the zone intralayer conversion. The furnace has zones of heating, recovery, intralayer conversion, carburization and cooling, in which the corresponding technological operations take place. To start the production process, starting reducing gas is used, produced and heated in the starting converter, which is located outside the furnace. When the temperature level necessary for the conversion process is reached in the intralayer conversion zone, the gas mixture to be converted is fed, which is converted to reducing gas. This mixture is heated in a heat exchanger located outside the furnace. The amount of heat carried away into the shaft furnace by this mixture should ensure the implementation of all technological operations in the furnace.

Данный способ дает возможность использовать свежевосстановленное железо в качестве катализатора конверсии и позволяет объединить подогрев, восстановление, конверсию и охлаждение в одной стадии. Но при этом не решается проблема ввода в печь такого количества тепла, которое необходимо для осуществления всех технологических операций, осуществляющихся при различных температурах. Причиной этого явления является то, что теплоносителем является или восстановительный газ или газовая смесь, предназначенная для конверсии. В итоге процесс не стабилен, не контролируемый и высокоэнергоемкий.This method makes it possible to use freshly reduced iron as a conversion catalyst and allows combining heating, reduction, conversion and cooling in one stage. But this does not solve the problem of introducing into the furnace such an amount of heat that is necessary for all technological operations carried out at different temperatures. The reason for this phenomenon is that the coolant is either a reducing gas or a gas mixture intended for conversion. As a result, the process is not stable, uncontrolled and highly energy-intensive.

Технической задачей изобретения является создание условий подачи в шахтную печь необходимого количества тепла, которое позволит осуществить внутрислоевую конверсию и поддерживать стабильно температурный режим во всех технологических зонах, независимо от их объемов и разности в рабочих температурах при минимальном расходе природного горючего газа. Техническим результатом изобретения является получение качественного металла, при этом, используя как можно шире его каталитические свойства, можно производить товарный горючий газ при значительном снижении уровня загрязнения окружающей среды за счет уменьшения количества парниковых газов.An object of the invention is to create the conditions for supplying the required amount of heat to the shaft furnace, which will allow for intralayer conversion and maintain a stable temperature regime in all technological zones, regardless of their volume and difference in operating temperatures with a minimum consumption of natural combustible gas. The technical result of the invention is to obtain high-quality metal, while using its catalytic properties as wide as possible, it is possible to produce marketable combustible gas with a significant reduction in environmental pollution by reducing the amount of greenhouse gases.

Заявленный технический результат достигается тем, что в зонах карбюризации, внутрислоевой конверсии и восстановления шахтной печи стабилизируют и поддерживают температурный режим автономно путем нагрева индукторами, при этом в зону внутрислоевой конверсии подают холодную газовую смесь, предназначенную для конверсии, с образованием восстановительного газа, температуру которого на выходе из зоны внутрислоевой конверсии понижают путем введения холодного восстановительного газа из газгольдера, а восстановленный металл на выходе из зоны внутрислоевой конверсии обдувают упомянутой газовой смесью, в которой для конверсии используют двуокись углерода, очищенную и извлеченную из отработанного газа собственного процесса и из других технологических процессов при сжигании топлива.The claimed technical result is achieved by the fact that in the zones of carburization, intralayer conversion and recovery of the shaft furnace, the temperature is stabilized and maintained independently by heating with inductors, while a cold gas mixture intended for conversion is fed into the zone of intralayer conversion to produce a reducing gas whose temperature is at the exit from the zone of intralayer conversion is reduced by introducing cold reducing gas from the gas tank, and the reduced metal at the exit from Intralayer conversions are blown with the said gas mixture, in which carbon dioxide is used for the conversion, purified and extracted from the exhaust gas of the own process and from other technological processes during fuel combustion.

Изобретением предусматривается подача металлосодержащего материала в составе шихты в зону подогрева шахтной печи, где осуществляется его подогрев теплом, уносимым отработанным газом из зоны восстановления. Подогретый металлосодержащий материал поступает в зону восстановления, где нагревается теплом, уносимым восстановительным газом из зоны внутрислоевой конверсии. В зоне восстановления рабочая температура, при которой происходит процесс восстановления, стабильно поддерживается индуктором. При необходимости понижения температуры в зону восстановления подается через фурменный пояс холодный восстановительный газ из газгольдера. Восстановление металла, например железа, происходит по реакции:The invention provides for the supply of metal-containing material in the composition of the charge in the heating zone of the shaft furnace, where it is heated by heat carried away by the exhaust gas from the recovery zone. The heated metal-containing material enters the reduction zone, where it is heated by heat carried away by the reducing gas from the intralayer conversion zone. In the recovery zone, the operating temperature at which the recovery process occurs is stably maintained by the inductor. If it is necessary to lower the temperature, a cold reducing gas is supplied from the gas holder through the tuyere belt to the reduction zone. The recovery of a metal, such as iron, occurs by the reaction:

Fe₃O₄+4H₂=3Fe+4H₂O илиFe ₃ O ₄ + 4H ₂ = 3Fe + 4H ₂ O or

Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂ Fe ₃ O ₄ + 4CO = 3Fe + 4CO ₂

Водород или окись углерода поступают в зону восстановления из зоны внутрислоевой конверсии, в которой в присутствии свежевосстановленного металла, как катализатора, поступившего из зоны восстановления происходит следующая реакция:Hydrogen or carbon monoxide enters the reduction zone from the intralayer conversion zone, in which, in the presence of freshly reduced metal, as a catalyst coming from the reduction zone, the following reaction occurs:

CH₄+CO₂=2CO+2H₂ илиCH ₄ + CO ₂ = 2CO + 2H ₂ or

C+CO₂=2COC + CO ₂ = 2CO

CH₄+H₂O=CO+3H₂ CH ₄ + H ₂ O = CO + 3H ₂

C+H₂O=CO+H₂ C + H ₂ O = CO + H ₂

Необходимая рабочая температура в зоне внутрислоевой конверсии достигается и поддерживается индуктором. Газовая смесь, предназначенная для конверсии, состоящая из природного горючего газа, двуокиси углерода и (или) водяного пара в заданном стехиометрическом соотношении поступает в зону внутрислоевой конверсии через фурменный пояс. Углерод в зону конверсии поступает в виде угля или кокса как составляющая часть шихты. На выходе из зоны внутрислоевой конверсии в зону карбюризации температура свежевосстановленного металла, при необходимости, охлаждается до рабочего уровня смесью, предназначенной для конверсии, которая подается через фурменный пояс, путем увеличения количества ее подачи. Рабочая температура в зоне карбюризации поддерживается индуктором. Карбюризация осуществляется в среде природного горючего газа, который подается в зону карбюризации по системе газовой разводки. Четкого разграничения между зонами не существует. Например, конверсия может осуществляться в нижней части зоны восстановления, а отдельные окислы восстанавливаются в верхней части зоны внутрислоевой конверсии. Обогрев реакционной зоны аппарата десульфурации, размещенного вне шахтной печи, осуществляется индукционным током.The required operating temperature in the zone of intralayer conversion is achieved and maintained by the inductor. The gas mixture intended for conversion, consisting of natural combustible gas, carbon dioxide and (or) water vapor in a predetermined stoichiometric ratio enters the intralayer conversion zone through the tuyere belt. Carbon in the conversion zone comes in the form of coal or coke as an integral part of the charge. At the exit from the intralayer conversion zone to the carburization zone, the temperature of the freshly reduced metal, if necessary, is cooled to the working level by a mixture intended for conversion, which is fed through the tuyere belt, by increasing the amount of its supply. The operating temperature in the carburization zone is maintained by the inductor. Carburerization is carried out in the environment of natural combustible gas, which is fed into the carburization zone through a gas distribution system. There is no clear distinction between zones. For example, conversion can take place in the lower part of the reduction zone, and individual oxides are reduced in the upper part of the intralayer conversion zone. Heating the reaction zone of the desulfurization apparatus placed outside the shaft furnace is carried out by induction current.

Количество двуокиси углерода, образующейся в настоящем процессе недостаточно, чтобы максимально использовать каталитические свойства свежевосстановленного металла. Для повышения эффективности процесса двуокись углерода заимствуется из других технологических процессов, например, доменного процесса или других, в технологическом процессе которых образуется двуокись углерода, что даст возможность в зоне внутрислоевой конверсии увеличить количество производимого восстановительного газа, т.е. горючего газа, состоящего из окиси углерода, водорода и минимальной части непрореагировавшего природного горючего газа, а также незначительной части примеси серы.The amount of carbon dioxide generated in this process is not enough to maximize the catalytic properties of the freshly reduced metal. To increase the efficiency of the process, carbon dioxide is borrowed from other technological processes, for example, a blast furnace process or others, in the technological process of which carbon dioxide is formed, which will make it possible in the intralayer conversion zone to increase the amount of reducing gas produced, i.e. a combustible gas consisting of carbon monoxide, hydrogen and a minimum portion of unreacted natural combustible gas, as well as a minor portion of sulfur impurities.

Использование предлагаемого способа прямого восстановления металлосодержащего материала позволит снизить расход природного горючего газа, достигнуть стабильности технологического процесса бескоксовой металлургии. При этом повысятся экономические показатели процесса и улучшится состояние окружающей среды за счет исключения выбросов двуокиси углерода. Металлургические предприятия получат возможность производить дополнительную продукцию - горючий газ, при этом предприятие из потребителя горючего газа может превратиться в его производителя.Using the proposed method for the direct reduction of metal-containing material will reduce the consumption of natural combustible gas, achieve stability in the process of coke-free metallurgy. At the same time, the economic indicators of the process will increase and the environment will improve due to the elimination of carbon dioxide emissions. Metallurgical enterprises will have the opportunity to produce additional products - combustible gas, while the enterprise from a consumer of combustible gas can turn into its producer.

Claims (1)

Способ прямого восстановления металлосодержащего материала в шахтной печи, включающий подачу металлосодержащего материала через загрузочное устройство в шахтную печь, подогрев и восстановление восстановительным газом, образованным в зоне внутрислоевой конверсии, карбюризацию природным газом, поступающим из нижней части шахтной печи, при этом подогрев металлосодержащего материала осуществляют в зоне подогрева теплом, уносимым отработанным газом из зоны восстановления, в которой подогретый металлосодержащий материал восстанавливают восстановительным газом, образованным в зоне внутрислоевой конверсии, отличающийся тем, что в зонах карбюризации, внутрислоевой конверсии и восстановления шахтной печи стабилизируют и поддерживают температурный режим автономно путем нагрева индукторами, при этом в зону внутрислоевой конверсии подают холодную газовую смесь, предназначенную для конверсии, с образованием восстановительного газа, температуру которого на выходе из зоны внутрислоевой конверсии понижают путем введения холодного восстановительного газа из газгольдера, а восстановленный металл на выходе из зоны внутрислоевой конверсии обдувают упомянутой газовой смесью, в которой для конверсии используют двуокись углерода, очищенную и извлеченную из отработанного газа собственного процесса и из других технологических процессов при сжигании топлива. A method for the direct reduction of metal-containing material in a shaft furnace, comprising supplying a metal-containing material through a loading device to a shaft furnace, heating and reducing with a reducing gas formed in the intralayer conversion zone, carburizing with natural gas coming from the lower part of the shaft furnace, while heating the metal-containing material is carried out in the heating zone with heat carried away by the exhaust gas from the reduction zone in which the heated metal-containing material is reduced they are reduced with a reducing gas formed in the intralayer conversion zone, characterized in that in the zones of carburization, intralayer conversion and reduction of the shaft furnace, they stabilize and maintain the temperature regime autonomously by heating with inductors, while a cold gas mixture intended for conversion is fed into the intralayer conversion zone, with the formation of a reducing gas, the temperature of which at the outlet of the intralayer conversion zone is lowered by introducing cold reducing gas from the gas tank, and the reduced metal at the exit from the intralayer conversion zone is blown with the aforementioned gas mixture, in which carbon dioxide is used for the conversion, purified and extracted from the exhaust gas of its own process and from other technological processes during fuel combustion.

Images