Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА ИЛИ РАСПЛАВЛЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

Изобретение относится к способу и устройству для получения чугуна или расплавленных стальных полуфабрикатов, в котором металлсодержащее сырье, в частности, содержащее оксиды железа и содержащее, при необходимости, добавки, по меньшей мере частично восстанавливается в зоне восстановления посредством восстановительного газа и затем вводится в зону плавления и плавится при подаче углеродных носителей, в частности кокса и/или угля, и кислородсодержащего газа с образованием восстановительного газа, при этом образованный восстановительный газ подается в зону восстановления и там преобразуется и, при необходимости, после очистки отводится в качестве экспортного газа.

Из современного состояния техники, как в AT 406485 B, WO 2010/006905 A1, WO 2009/149862 A1 или EP 0488429 A2, известно, что посредством инжектируемых газов вещества в виде тонких частиц, таких как, например, углеродные носители, могут вводиться через сопла в плавильный узел. Таким образом, например, порошкообразные угли могут посредством инжектируемого газа и инжектора вводиться, например, в доменные печи или также в плавильный газогенератор. Недостатком при этом является то, что должны вводиться специальные инжектируемые газы, такие как азот, воздух или природный газ, которые увеличивают объем инертного газа в ходе процесса, в особенности при дополнительной внутренней рециркуляции газа, соответственно обусловливая увеличенные эксплуатационные расходы (на природный газ, электричество).

Также из DE 102006048600 A1 и DE 10 2006048601 A1 известно введение экспортного газа, свободного от CO₂, в плавильный газогенератор, с тем чтобы максимизировать рециркулируемое количество экспортного газа.

Поэтому задачей данного изобретения является предоставление способа и устройства, которые устраняют такого рода недостатки при введении углеродных носителей в виде тонких частиц.

Эта задача решается посредством способа согласно изобретению по пункту 1 формулы изобретения и посредством устройства по пункту 9.

Посредством способа по данному изобретению по меньшей мере часть экспортного газа используется, после отделения CO₂, для подачи порошкообразных углеродных носителей в зону плавления. Тем самым возможно уменьшить количество восстановительного газа, который отводится в качестве колошникового газа из узла для восстановления и после очистки предоставляется в качестве экспортного газа, и, соответственно, увеличить долю экспортного газа, который используется в процессе. Количество экспортного газа, которое применяется в процессе в качестве рециркулирующего газа и, следовательно, заново вводится в процесс, может равным образом уменьшаться, так как вместо вытесняющего газа, употребительного в обычных способах, такого как, например, азот, находится применение собственному газу от процесса, посредством чего уменьшается количество рециркулирующего газа. Тем самым может уменьшаться энергия, необходимая для транспортировки экспортного газа в способе (например, электрическая энергия для сжатия), поскольку в технологических газах присутствуют значительно меньшие доли инертного газа и, тем самым, требуется существенно меньший расход энергии для сжатия, нагревания и охлаждения технологического газа. Доля экспортного газа, которая не может быть использована в процессе, также уменьшается, к тому же могут экономиться значительные количества инжектируемого газа, и тем самым уменьшаются эксплуатационные расходы для устройства для производства чугуна. В качестве еще одного преимущества восстановительный газ и, соответственно, рециркулирующий газ не загрязняются вытесняющим газом и, тем самым, также не снижается восстановительный потенциал. В добавление к этому посредством введения восстановительного газа, отделенного от CO₂, в качестве вытесняющего газа может увеличиться поступление энергии через кислородные сопла или фурмы, посредством чего могут экономиться восстановители в форме кокса или угля.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа по данному изобретению газообразный продукт по меньшей мере в одной смесительной камере объединяется с порошкообразными углеродными носителями, при необходимости, вместе с транспортирующим газом, и затем смесь вводится в зону плавления. Газообразный продукт приводит к значительному увеличению скорости потока, при котором порошкообразные углеродные носители в зону плавления поддержки углерода вводятся в зону плавления. Порошкообразные углеродные носители могут посредством транспортирующего газа вводиться в смесительную камеру. Посредством подачи газообразного продукта порошкообразные углеродные носители ускоряются и вводятся при более высокой скорости в зону плавления. Посредством этого повышения скорости введения через сопла могут предотвращаться, например, засорения шлаком или повреждения брызгами чугуна. Посредством давления и количества газообразного продукта или посредством количества транспортирующего газа можно регулировать заданным образом введение в зону плавления и, соответственно, адаптирование эксплуатационных параметров.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления способа по данному изобретению выполняется введение газообразного продукта и порошкообразных углеродных носителей, при необходимости, вместе с транспортирующим газом в зону плавления вместе с газом, обогащенным кислородом. Порошкообразные углеродные носители используются в качестве источников энергии и для образования восстановительного газа. При этом выгодно добавлять газ, обогащенный кислородом, непосредственно при введении, с тем чтобы обеспечить возможность сгорания и, тем самым, поступление энергии. Выгодно, например, предусматривать горячее дутье, необходимое в зоне плавления, или горячее дутье с применением газа, насыщенного кислородом, в качестве газа, обогащенного кислородом, и вводить его вместе с порошкообразными углеродными носителями и, при необходимости, с транспортирующим газом в зону плавления.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа по данному изобретению газообразный продукт, порошкообразные углеродные носители, при необходимости транспортирующий газ и газ, обогащенный кислородом, совместно вдуваются сначала в фурму или в кислородное сопло и затем в зону плавления. Фурмы являются обычным оборудованием в доменных печах, через которое горячий, в частности, обогащенный кислородом газ может вводиться в зону плавления. Кислородные сопла представляют собой приспособления в устройствах для восстановительного плавления, которые вводят кислородсодержащий газ с высоким содержанием O₂, предпочтительно более 90% O₂, в зону плавления плавильного узла, такого как, например, плавильный газогенератор. Они преимущественно расположены по окружности вокруг зоны плавления, так что достигается равномерное введение газа.

Преимущественно вышеупомянутые газы и порошкообразные углеродные носители вдуваются в зону плавления совместно, при этом происходит равномерное смешивание газа с порошкообразными углеродными носителями.

В соответствии с частным вариантом осуществления способа по данному изобретению экспортный газ сжимается и/или охлаждается перед обработкой в узле для отделения CO₂. Посредством этих мер могут, с одной стороны, устанавливаться эксплуатационные параметры, выгодные для отделения CO₂, и, с другой стороны, оказываться влияние на давление и температуру газообразного продукта.

В соответствии с подходящим вариантом осуществления способа в соответствии с изобретением газ, обогащенный CO₂, отделенный в узле для отделения CO₂, отводится в качестве хвостового газа и, в частности, временно накапливается вместе с экспортным газом из зоны восстановления. Хвостовой газ имеет в большинстве случаев значительно изменяющийся состав, так что его теплотворная способность также не является постоянной. Посредством промежуточного накапливания свойства хвостового газа могут выравниваться. Посредством примешивания избыточного экспортного газа, который не находит применения в качестве газообразного продукта, экспортный газ может, вместе с хвостовым газом, сначала накапливаться, а затем предоставляться в распоряжение для внешнего использования, например для утилизации тепла.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа по данному изобретению газ, обогащенный CO₂, который отделен в узле для отделения CO₂, в качестве хвостового газа, и/или экспортный газ из зоны восстановления по меньшей мере частично сжигается в нагревательном узле для нагревания газообразного продукта. Посредством сжигания может быть использована внутренняя энергия хвостового газа и/или экспортного газа и тем самым обеспечено экономичное нагревание экспортного газа. Отработавший газ, образованный при сгорании, отводится и, при необходимости, подвергается очистке.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления способа по данному изобретению нагретый газообразный продукт вводится в зону восстановления и/или зону плавления. Таким образом, можно существенно увеличить долю экспортного газа, который остается в процессе и в качестве рециркулирующего газа может быть использован снова в зоне восстановления, в зоне плавления или в качестве газообразного продукта в зоне плавления.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления способа по данному изобретению восстановительный газ, отводимый из зоны восстановления, подвергается сухому пылеулавливанию и/или мокрой очистке. Так как отводимый восстановительный газ имеет значительное содержание пыли или тонких твердотельных частиц, выгодно вначале предусмотреть очистку, при этом возможны сухая или мокрая очистка, а также их комбинации. Очищенный отводимый восстановительный газ может использоваться в соответствии с изобретением в качестве экспортного газа или направляться для последующего применения, например для утилизации тепла.

Устройство в соответствии с изобретением для получения чугуна или расплавленных стальных полуфабрикатов содержит узел для восстановления, в котором сырье, содержащее оксиды металла, в частности содержащее оксиды железа, и, при необходимости, добавки, может, по меньшей мере частично, восстанавливаться посредством восстановительного газа, и плавильный узел, в который могут вводиться по меньшей мере частично восстановленное сырье и, соответственно, добавки для плавления при подаче углеродных носителей, в частности кокса и/или угля, и кислородсодержащего газа с образованием восстановительного газа. Восстановительный газ, образованный в плавильном узле, может подаваться в зону восстановления, там преобразовываться и, при необходимости, после очистки отводиться в качестве экспортного газа. Устройство содержит также узел для отделения CO₂, который отделяет CO₂ от экспортного газа и образует газообразный продукт. Узел для отделения CO₂ связан через трубопровод для газообразного продукта с по меньшей мере одним подающим узлом для подачи, в частности, через сопла порошкообразных углеродных носителей в плавильный узел. Посредством узла для отделения CO₂ может отделяться CO₂ и предпочтительно также остаточный водяной пар (H₂O), которые вредны для процесса плавления и, соответственно, для образования отходящего при этом восстановительного газа и восстановления в зоне восстановления, так что образуется высокоценный газообразный продукт с высоким содержанием восстановительных компонентов, таких как монооксид углерода (CO) и водород (H₂). Порошкообразные углеродные носители отбираются в большом количестве во многих металлургических способах, таких как, например, с применением кусковых углей.

Поэтому возможность переработки такого рода углеродных носителей представляет собой значительную экономическую выгоду. Аналогичным образом, посредством повторного использования восстановительного газа, отведенного из узла для восстановления, общая эффективность способа производства чугуна может быть увеличена, так что, например, общее количество углеродных носителей на тонну произведенного чугуна может быть уменьшено. Посредством использования газообразного продукта для подачи порошкообразных углеродных носителей в плавильный узел можно обойтись без обычного, в противном случае, газа для инжекции, такого как, например, азот, сжиженный газ или природный газ. Тем самым, в соответствии с меньшим количеством инертных газов уменьшается количество технологического газа в целом, так что возможно также применение устройств для обработки газа и, соответственно, газовых трубопроводов меньшего размера.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления устройства по данному изобретению подающий узел содержит смесительную камеру для смешивания газообразного продукта с порошкообразными углеродными носителями и, при необходимости, с транспортирующим газом, при этом смесительная камера соединена с трубопроводом для газообразного продукта и нагнетательным трубопроводом для подачи порошкообразных углеродных носителей. Сначала порошкообразные углеродные носители вводятся в смесительную камеру, причем это может выполняться, например, посредством транспортирующего газа или также посредством собственного веса через нагнетательный трубопровод. Посредством добавления газообразного продукта через трубопровод для газообразного продукта достигаются необходимые для подачи скорость и энергия введения через сопла, так что порошкообразные углеродные носители могут вводиться в плавильный узел. Посредством смесительной камеры обеспечивается основательное перемешивание газообразного продукта с порошкообразными углеродными носителями, так что делается возможным равномерное введение.

Возможный вариант устройства по данному изобретению предусматривает, что подающий узел содержит загрузочный трубопровод, который соединяет смесительную камеру по меньшей мере с одним соплом. Посредством сопла обеспечивается значительное повышение скорости потока, так что возможно также введение вдуванием в пространство при высоком давлении, как это имеет место в обычных плавильных узлах. Кроме того, обеспечивается повторное основательное перемешивание порошкообразных углеродных носителей завихрениями, так что создается очень равномерное распределение их в плавильном узле. Посредством предоставления нескольких смесительных камер и/или нескольких сопел может быть обеспечено равномерное распределение порошкообразных углеродных носителей в плавильном узле.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом устройства по данному изобретению подающий узел имеет подающий трубопровод для доставки кислородсодержащего газа. Порошкообразные углеродные носители могут вводиться вместе с кислородсодержащим газом, при этом достигается непосредственное сгорание порошкообразных углеродных носителей и газообразного продукта и, соответственно, газификация порошкообразных углеродных носителей при введении в плавильный узел.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления устройства по данному изобретению подающий трубопровод и загрузочный трубопровод взаимно соединяются в сопле. Сопло, тем самым, образует почти однородную струю, которая вводится в плавильный узел. Тем самым, не требуется предусматривать отдельные узлы для подачи кислородсодержащего газа и для порошкообразных углеродных носителей. Они могут быть объединенными. Таким образом, для подачи порошкообразных углеродных носителей могут использоваться те узлы, которые уже предусмотрены для подачи кислородсодержащего газа.

В соответствии с предпочтительным вариантом устройства по данному изобретению сопло является фурмой доменной печи или кислородным соплом плавильного узла. Фурмы служат для введения в большинстве случаев горячего дутья в плавильный узел. Кислородные сопла представляют собой приспособления в устройствах для восстановительного плавления, которые вводят кислородсодержащий газ с высоким содержанием O₂, предпочтительно более 90% O₂, в зону плавления плавильного узла. Для этого в большинстве случаев предусматриваются кольцеобразные приспособления, с тем чтобы способствовать по возможности равномерному введению горячего дутья. Вместо горячего воздуха возможно, однако, также вдувание в плавильный узел газа, обогащенного кислородом, например, с содержанием кислорода >90%. При этом газ, обогащенный кислородом, и порошкообразные углеродные носители могут совместно вдуваться в плавильный узел. Посредством такой конфигурации обеспечивается особенно эффективное перемещение порошкообразных углеродных носителей, так что они могут особенно хорошо использоваться в качестве источников энергии и для образования восстановительного газа.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройства по данному изобретению узел для восстановления сформирован как шахта доменной печи, или как восстановительная шахта, или как узел с псевдоожиженным слоем, или как группа из соединенных в ряд узлов с псевдоожиженным слоем, а плавильный узел - как нижняя часть доменной печи или плавильный газогенератор. Тем самым может перерабатываться очень широкая группа исходных материалов, содержащих оксиды металла и, соответственно, содержащих оксиды железа, и добавок, при этом узел для восстановления может приспосабливаться, например, к величине частиц и составу сырья, содержащего оксиды металла и, соответственно, содержащего оксиды железа, и, соответственно, к виду кусковых углеродных носителей. Таким же образом посредством выбора плавильного узла устройство и способ можно точно приспособить для сырья, содержащего оксиды металла и, соответственно, содержащего оксиды железа, которое подлежит переработке.

Возможный вариант осуществления устройства по данному изобретению предусматривает, что на трубопроводе для отвода колошникового газа, который отводит восстановительный газ из узла для восстановления, установлено очистное приспособление, в частности приспособление для сухой очистки и/или мокрой очистки. Посредством очистного приспособления отделяется пыль и, например, тонкие твердотельные частицы, выносимые вместе с восстановительным газом из узла для восстановления. Наряду с сухой очисткой, такой как, например, с применением рукавного фильтра, циклона для горячего газа, тканевого фильтра или фильтра для горячего газа, может быть предусмотрена также мокрая очистка, такая как, например, с применением кольцевого скруббера или скруббера Вентури. Кроме того, возможна также комбинация указанных выше систем очистки. Очищенный восстановительный газ, выводимый из узла для восстановления, может использоваться в качестве экспортного газа в соответствии с изобретением или направляться для последующего применения или для утилизации.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройства по данному изобретению очистное приспособление соединено посредством трубопровода для экспортного газа с узлом для отделения CO₂, при этом на трубопроводе для экспортного газа установлены один компрессор и/или по меньшей мере один охладитель. Экспортный газ сначала сжимается и затем охлаждается, при этом также значительная доля водяного пара (H₂O) конденсируется и отделяется, так что могут быть установлены оптимальные условия для отделения CO₂.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройства по данному изобретению предусматривается нагревательный узел для нагревания газообразного продукта перед его подачей в узел для восстановления и/или в плавильный узел, при этом нагревательный узел может нагреваться посредством по меньшей мере частичного сгорания хвостового газа и/или экспортного газа. Тем самым газообразный продукт, который должен вводиться в плавильный узел и/или в узел для восстановления, может быть соответственно термически согласован. Посредством сжигания хвостового газа или экспортного газа в нагревательном узле газообразный продукт может нагреваться особенно экономным образом. Через трубопроводы, которые соединяют нагревательный узел с плавильным узлом и с узлом для восстановления, может вводиться нагретый газообразный продукт. Введение в плавильный узел может также выполняться через подающий узел в соответствии с данным изобретением.

Далее изобретение разъясняется более подробно в качестве примера и не ограничивающим образом при помощи фиг.1 и 2.

Фиг.1 - устройство в соответствии с изобретением с доменной печью.

Фиг.2 - частный вид подающего узла.

Фиг.1 показывает устройство по данному изобретению с доменной печью для получения чугуна (RE). Нижняя часть доменной печи образует плавильный узел 2 с зоной плавления, и шахта доменной печи образует узел 1 для восстановления с зоной восстановления. Восстановительный газ, отводимый из узла 1 для восстановления, преобразуется уже в зоне восстановления. Это означает, что посредством восстановительного газа в узле 1 для восстановления сырье, содержащее оксиды металла или, соответственно, содержащее оксиды железа, и, при необходимости, добавки, может, по меньшей мере частично, восстанавливаться, при этом использованный восстановительный газ отводится в качестве колошникового газа. По меньшей мере частично восстановленное сырье, содержащее оксиды металла или, соответственно, содержащее оксиды железа, вводится в зону плавления, в которой также происходит образование восстановительного газа.

Для дальнейшего использования колошникового газа сначала в большинстве случаев необходимо предусматривать очистку газа. Это может быть выгодным образом выполнено двухступенчатым образом посредством узла 12 сухой очистки и последующего узла 13 мокрой очистки. Эти очистные приспособления установлены на трубопроводе 11 для отвода колошникового газа. Через трубопровод 14 для экспортного газа узел 13 мокрой очистки связан с узлом 3 для отделения CO₂. Это может выполняться, например, в процессе адсорбции с переменным давлением или адсорбции с переменным давлением с применением вакуума. В большинстве случаев на трубопроводе 14 для экспортного газа предусмотрен компрессор 15 и следующий за ним охлаждающий узел 16, такой как, например, водяной охладитель, так что устанавливается температура экспортного газа, необходимая для отделения CO₂, и большая часть водяного пара, содержащегося в экспортном газе, может быть сконденсирована и отделена. При отделении CO₂ газ, обогащенный CO₂, хвостовой газ, отделяется и образуется газообразный продукт, который имеет высокое содержание восстановительных компонентов, таких как, например, водород и монооксид углерода.

Фиг.2 показывает подающий узел 5 более подробно. Газообразный продукт может через трубопровод 4 для газообразного продукта вводиться по меньшей мере в одну смесительную камеру 6. Через нагнетательный трубопровод 7 порошкообразные углеродные носители, такие как, например, порошкообразные угли, посредством транспортирующего газа, такого как, например, азот, доставляются в смесительную камеру 6 и посредством газообразного продукта через загрузочный трубопровод 8 подаются в сопло 9. В сопло 9 выходит также подающий трубопровод 10, через который может вводиться газ, обогащенный кислородом. Тем самым, газ, обогащенный кислородом, транспортирующий газ, газообразный продукт и порошкообразные углеродные носители совместно вводятся или вдуваются в плавильный узел. Выгодно предусматривать множество сопел, которые могут быть расположены таким образом, чтобы они обеспечивали вдувание непосредственно в фурму или кислородное сопло плавильного узла, такого как, например, доменная печь.

Загрузочный трубопровод 8 может быть выполнен в виде соплового копья, которое также может включать смесительную камеру 6. Кроме того, загрузочный трубопровод 8 может также быть выполнен в виде отдельного соплового канала, который выходит в сопло 9. Сопло 9 может образовывать фурму доменной печи или кислородное сопло плавильного узла, такого как, например, плавильный газогенератор.

Предпочтительно, подающий трубопровод 10 и загрузочный трубопровод 8 на конце соплового копья, которые выступает в фурму или в кислородное сопло или в сопловом канале в фурме или кислородном сопле, взаимно соединены. В обоих вариантах осуществления используется фурма или кислородное сопло, которые являются известными узлами, так что способ или, соответственно, устройство по данному изобретению могут быть также реализованы с применением существующих компонентов.

Кроме того, может быть предусмотрен нагревательный узел 17, в котором может выполняться нагревание по меньшей мере части газообразного продукта посредством по меньшей мере частичного сжигания хвостового газа из узла 3 для отделения CO₂ 3 и/или экспортного газа. Эта нагретая часть газообразного продукта может вводиться в узел 1 для восстановления или в плавильный узел 2.

Избыточный экспортный газ или также хвостовой газ может накапливаться в газовом накопителе 18, при этом происходит выравнивание состава этого газа. Это необходимо, поскольку состав хвостового газа от процесса адсорбции с переменным давлением или адсорбции с переменным давлением с применением вакуума очень сильно колеблется, что приводит также к сильным колебаниям в теплотворной способности. Газовая смесь может быть затем использована, например, для термической утилизации.

Список обозначений узлов