PL195481B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania surówki lub płynnych wyjściowych produktów stalowniczych z materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania surówki Iub plyn- nych wyjsciowych produktów stalowniczych z materialów wsadowych zawierajacych rude zelaza, w wielkim piecu, przy czym co najmniej czesc strumienia gazu gardzielowego wycho- dzacego z redukcyjnego pieca szybowego uwalnia sie w znacznym stopniu od CO 2 , ewen- tualnie podgrzewa, i jako gaz redukcyjny wpro- wadza do wielkiego pieca, znamienny tym, ze ten wychodzacy z redukcyjnego pieca szybo- wego i uwolniony w znacznym stopniu od CO 2 gaz gardzielowy wprowadza sie do dolnej strefy szybu wielkiego pieca, przy czym uwolniony w znacznym stopniu od CO 2 gaz gardzielowy przed jego wprowadzeniem do szybu wielkiego pieca nagrzewa sie przez czesciowe spalanie. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania surówki albo płynnych wyjściowych produktów stalowniczych z materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza, w wielkim piecu, przy czym co najmniej część strumienia gazu gardzielowego wychodzącego z redukcyjnego pieca szybowego jest uwalniana w wysokim stopniu od CO2, ewentualnie jest podgrzewana, i jako gaz redukujący jest wprowadzana do wielkiego pieca, a ponadto wynalazek dotyczy urządzenia do realizacji tego sposobu.

Tego rodzaju sposób jest znany z DE 4421673 A1. Według tego sposobu, gaz gardzielowy po usunięciu CO2 jest mieszany z gorącym azotem albo gorącym gazem zawierającym azot i argon i przez to jest nagrzewany do temperatury powyżej 800°C. Przy tym nagrzany i pozbawiony w znacznym stopniu CO2 gaz gardzielowy jest doprowadzany okrężnicą do wielkiego pieca. Przy tym nagrzewanie gazu gardzielowego musi odbywać się nadzwyczaj szybko dla uniknięcia przemiany gazu CO według równowagi reakcji Boudouarda albo przemiany gazu H2 według heterogenicznej reakcji gazu wodnego. Z tym warunkiem są związane znaczne nakłady na urządzenia i realizację procesu.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 3954444 A1 dotyczy sposobu bezpośredniej redukcji rudy żelaza. Z pieca szybowego jest pobierana część gazu redukującego i po uzdatnieniu doprowadza się ten gaz z powrotem do pieca szybowego. Przy tym w specjalnej odmianie realizacji tego sposobu gaz redukujący może być też wprowadzany jako czynnik redukujący do wielkiego pieca. Również w tej metodzie regeneracja gazu jest kłopotliwa i wymaga dużych nakładów procesowych i instalacyjnych.

Mając na względzie stan techniki, celem wynalazku było opracowanie sposobu oraz urządzenia do realizacji tego sposobu, dzięki którym uzyskuje się poprawę bilansu energetycznego w porównaniu ze znanymi rozwiązaniami, a także usprawnia się przebieg procesu.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania surówki lub płynnych wyjściowych produktów stalowniczych z materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza charakteryzuje się tym, że ten wychodzący z redukcyjnego pieca szybowego i uwolniony w znacznym stopniu od CO2 gaz gardzielowy wprowadza się do dolnej strefy szybu wielkiego pieca, przy czym uwolniony w znacznym stopniu od CO2 gaz gardzielowy przed jego wprowadzeniem do szybu wielkiego pieca nagrzewa się przez częściowe spalanie.

Korzystnie w redukcyjnym piecu szybowym redukuje się gazem część materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza, a otrzymane zredukowane cząstki żelaza stapia się w reaktorze stapiająco-zgazowującym z doprowadzaniem węgla i gazu zawierającego tlen z jednoczesnym powstawaniem gazu redukcyjnego, z tym że gaz redukcyjny doprowadza się do strefy redukcji pieca szybowego.

Ponadto korzystnie uwolniony w dużej mierze od CO2 gaz gardzielowy nagrzewa się przez częściowe spalanie do temperatury ponad 750°C, korzystnie powyżej 800°C.

W ten sposób poprzez częściowe spalanie reguluje się zawartość CO2/H2O w gazie gardzielowym, żeby dostosować odpowiednio, jak już wspomniano, skład chemiczny gazu gardzielowego wprowadzanego do wielkiego pieca, a w szczególności dla uniknięcia wytrącania się węgla w wielkim piecu. Wyeliminowanie powstawania takiego rozdrobnionego węgla działa pozytywnie na bilans energetyczny procesu.

Górny stożek ścięty wielkiego pieca, który stanowi około trzy piąte jego wysokości, jest nazywany przez specjalistów szybem.

Dzięki wprowadzaniu nagrzanego gazu gardzielowego do dolnej części szybu wielkiego pieca można uzyskać w porównaniu ze znanymi rozwiązaniami znaczące korzyści w prowadzeniu procesu.

Wynalazek przewiduje w szczególności pełne wykorzystanie w procesie gazu gardzielowego pieca szybowego. Przy tym gaz gardzielowy pieca szybowego jest doprowadzany do dalszego wykorzystania z uwagi na jego właściwości redukujące. Część strumienia tego gazu gardzielowego zgodnie ze sposobem według wynalazku może być wprowadzana do wielkiego pieca, natomiast następna część strumienia może być zastosowana na przykład do wytwarzania energii. Istotne jest jednak to, że gaz gardzieIowy jest odciągany po przejściu przez piec szybowy, a nie ma ewentualnie -jak w stanie techniki - odgałęzienia częściowego strumienia przy piecu szybowym. Dzięki sposobowi według wynalazku, możliwe jest bardziej efektywne niż w znanych rozwiązaniach nagrzewanie wsadu w piecu szybowym, co ma istotne znaczenie z eksploatacyjnego punktu widzenia.

Dzięki doprowadzaniu gazu powyżej przestronu, ten przestron i spad są odciążone termicznie, co ułatwia przenikanie gazu w tej strefie i poprawia drenaż fazy ciekłej.

PL 195 481 B1

Miejsce doprowadzenia gazu gardzielowego w dolnej strefie szybu wielkiego pieca jest zależne w zasadzie, od składu chemicznego gazu gardzielowego w danym procesie.

Gaz gardzielowy ma na ogół szczególny skład chemiczny, charakterystyczny dla procesu, z którego pochodzi, a więc w znanych warunkach brzegowych trzeba wyznaczyć odpowiednie miejsce wprowadzania gazu w szybie wielkiego pieca, co umożliwi eksploatację wielkiego pieca w optymalnym punkcie pracy.

Miejsce wprowadzania gazu gardzielowego do wielkiego pieca jest usytuowane na ogół powyżej spoistej strefy lub też powyżej strefy bezpośredniej redukcji, a więc w szybie wielkiego pieca. Usytuowanie tego miejsca wprowadzania gazu gardzielowego w szybie wielkiego pieca jest uwarunkowane po pierwsze temperaturą i składem chemicznym gazu gardzielowego, a z drugiej strony trybem pracy wielkiego pieca. Decydujący jest przy tym efekt, jaki uzyskuje się przez wprowadzanie gazu gardzielowego.

Od składu chemicznego gazu gardzielowego zależy działanie tego gazu na materiały wsadowe w procesie wielkopiecowym, które polega po pierwsze na zwiększeniu udziału redukcji pośredniej przez doprowadzanie gazu redukcyjnego, przy czym w taki sam sposób zmniejsza się w procesie udział redukcji bezpośredniej, która powoduje w wielkim piecu niepożądane zużycie węgla i silne obciążenie energetyczne procesu, a z drugiej strony polega ono na znacznym zwiększeniu szybkości nagrzewania i zmniejszeniu rozpadu rudy, z czym wiąże się zwiększenie obszaru reakcji w obrębie wsadu wielkiego pieca.

Temperatura gazu gardzielowego przed wejściem do wielkiego pieca jest wyższa niż 750°C, korzystnie wynosi 750-1100°C, korzystnie wynosi 800-920°C i szczególnie korzystnie wynosi 820-880°C, przy czym gaz ten wprowadza się w dolnym końcu szybu wielkiego pieca dla zmniejszenia strat w wielkim piecu.

Przy tym w miejscu wprowadzania gazu do tradycyjnego, odpowiadającego stanowi techniki wielkiego pieca, uzyskuje się w zewnętrznych warstwach wsadu wielkopiecowego temperaturę 1100°C i niższą, w korzystnej odmianie poniżej 1000°C, a w szczególnie korzystnej odmianie poniżej 900°C.

Według szczególnie korzystnej odmiany realizacji, w zgodnym z wynalazkiem sposobie wytwarzania surówki albo płynnych wyjściowych produktów stalowniczych, wykorzystuje się reaktor stapiająco-zgazowujący, który przeprowadza redukowane cząstki żelaza w surówkę i powstaje przy tym gaz redukujący. Gaz ten nadaje się dobrze do późniejszego wykorzystania w redukcyjnym piecu szybowym, i służy ponadto jako baza dla gazu gardzielowego, który w myśl wynalazku jest wprowadzany do dolnej strefy szybu wielkiego pieca.

Gdy gaz gardzielowy ma typowy dla określonego procesu skład chemiczny, to dzięki wprowadzaniu takiego gazu do wielkiego pieca w dolnej strefie jego szybu następuje nie tylko obniżenie zużycia koksu, lecz także dostosowanie stopnia utlenienia wprowadzanego gazu do danej części wielkiego pieca, do której ma być wprowadzany gaz gardzielowy, dzięki czemu optymalizuje się pracę instalacji wielkopiecowej.

Gdy nagrzany gaz gardzielowy był wprowadzany dotychczas do wielkiego pieca przez tradycyjną okrężnicę i dlatego musiał mieć szczególnie niską zawartość CO2 i H2O, to przy wprowadzaniu gazu w miejscu usytuowanym znacznie powyżej tradycyjnej okrężnicy w szybie wielkiego pieca jest pożądana wyższa zawartość CO2 i H2O.

Zastosowane środki według wynalazku, polegające na nagrzewaniu przez częściowe spalanie gazu gardzielowego w znacznym stopniu wolnego od CO2, pozwalają zastąpić znany sposób, który przewiduje nagrzewanie gazu gardzielowego gorącym azotem albo gazem zawierającym azot i argon, bardziej korzystną metodą nagrzewania gazu gardzielowego. W wyniku co najmniej częściowej przemiany gazu gardzielowego przez częściowe utlenianie, następuje znaczące podwyższenie temperatury gazu. Wprawdzie zawartość CO2 i H2O w gazie gardzielowym po uprzednim, znanym już ze stanu techniki usunięciu CO2 znów wzrasta, jednakże w tym zakresie, który jest wyznaczony przez wzajemne oddziaływanie między składem chemicznym gazu i miejscem wprowadzania gazu gardzielowego w szybie wielkiego pieca. Poza tym zwiększenie udziału CO2 i H2O jest tak nieznaczne, że nie można stwierdzić istotnego obniżenia działania redukcyjnego w porównaniu z najbardziej zbliżoną znaną metodą.

Inne zalety sposobu wynikają z poniższego opisu.

Dokonana w porównaniu do znanych rozwiązań modyfikacja miejsca doprowadzania gazu do wielkiego pieca umożliwia nagrzewanie gazu gardzielowego do wymaganej temperatury prostym sposobem przez częściowe spalanie, gdyż wielkość udziałów CO2 i H2O w zasadzie nie ma na to nega4

PL 195 481 B1 tywnego wpływu. Pozwala to wyeliminować kłopotliwe nagrzewanie gazu gardzielowego drogą mieszania go z gorącym azotem lub argonem, jak to jest znane ze stanu techniki. Zwiększenie udziału redukcji pośredniej w procesie wielkopiecowym przyczynia się do znacznej oszczędności energii, w związku z czym wielki piec może być eksploatowany w lepszym punkcie pracy pod względem gospodarowania energią i gazem.

Zgodnie z dalszą odmianą realizacji sposobu według wynalazku, gaz gardzielowy przed jego częściowym spalaniem podgrzewa się rekuperacyjnie i/lub regeneracyjnie, korzystnie do temperatury w zakresie 300-600°C, a korzystniej 400-500°C.

Przy tym nagrzewanie rekuperacyjne i/lub regeneracyjne oraz częściowe spalanie są dostosowane do siebie i do całego procesu, dzięki czemu istnieje możliwość szczególnie prostej i efektywnej regulacji zawartości CO2/H2O.

Gdy określone jest miejsce wprowadzania gazu redukującego do wielkiego pieca, reguluje się zawartość CO2/H2O gazu redukującego poprzez celową, dostosowaną do trybu pracy wielkiego pieca zmianę parametrów usuwania CO2 i/lub podgrzewania i/lub częściowego utleniania.

Dzięki realizowanemu dwustopniowo nagrzewaniu gazu gardzielowego, z podgrzewaniem rekuperacyjnym i/lub regeneracyjnym i następnie z częściowym spalaniem, zapobiega się występowaniu zapyleniu metalu (metal dusting) oraz nadmiernemu wytrącaniu C w wielkim piecu.

Te środki umożliwiają szczególnie korzystne ukształtowanie procesu, który charakteryzuje się w szczególności korzystnym dopasowaniem podgrzewania i częściowego spalania. Rekuperacyjny i/lub regeneracyjny sposób podgrzewania nie wpływa lub też wpływa tylko minimalnie na zwiększenie zawartości CO2/H2O w gazie gardzielowym, co może być korzystne w dalszym przebiegu procesu.

Zgodne z wynalazkiem urządzenie do wytwarzania surówki lub płynnych wyjściowych produktów stalowniczych z materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza, z co najmniej jednym wielkim piecem do wytwarzania surówki albo płynnych wyjściowych produktów stalowniczych, a także z co najmniej jednym redukcyjnym piecem szybowym do zbrylonej rudy żelaza, który ma co najmniej jeden przewód odprowadzający powstający w nim produkt redukcji oraz co najmniej jeden przewód odprowadzający gaz gardzielowy, przy czym przewód gazu gardzielowego uchodzi do urządzenia usuwającego CO2, a ponadto jest przewidziany co najmniej jeden kolejny przewód do wprowadzania gorącego, wolnego w znacznym stopniu od CO2 gazu gardzielowego do wielkiego pieca, charakteryzuje się tym, że ma co najmniej jeden przewód do wprowadzania gorącego gazu gardzielowego do dolnej strefy szybu wielkiego pieca oraz reaktor do częściowego spalania gazu gardzielowego przed jego wprowadzeniem do szybu wielkiego pieca, połączony przewodami z urządzeniem usuwającym CO2 oraz szybem wielkiego pieca.

Korzystnie, redukcyjny piec szybowy ma co najmniej jeden przewód doprowadzający gaz redukcyjny, i w którym jest przewidziany co najmniej jeden reaktor stapiająco-zgazowujący, do którego uchodzi co najmniej jeden przewód odprowadzający produkt redukcji z redukcyjnego pieca szybowego, i który ma pewną liczbę przewodów doprowadzających dla gazów zawierających tlen, ewentualnie dla pyłów i nośników węgla, a także co najmniej jeden uchodzący do redukcyjnego pieca szybowego przewód odprowadzający dla powstającego gazu redukcyjnego.

Korzystnie, przewidziano co najmniej jeden przewód do doprowadzania zawierającego tlen czynnika służącego do częściowego spalania gazu gardzielowego, korzystnie do reaktora.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schematycznie, zgodne z wynalazkiem urządzenie oraz przebieg wytwarzania surówki lub płynnych wyjściowych produktów stalowych z zawierających rudę żelaza materiałów wsadowych.

Urządzenie do redukcji bezpośredniej pokazano w postaci redukcyjnego pieca szybowego 1, w którym do strefy redukcji 2 są ładowane z góry, przewodem zasilającym 3, zbrylone materiały wsadowe zawierające tlenek żelaza, ewentualnie razem z wprowadzanymi przewodem zasilającym 4 dodatkami nieprażonymi. Piec szybowy 1 łączy się z reaktorem stapiająco-zgazowującym 5, w którym z nośników węgla i gazu zawierającego tlen wytwarza się gaz redukcyjny, który doprowadza się przewodem 6 do pieca szybowego 1, przy czym w przewodzie doprowadzającym 6 przewidziano urządzenie 7 do oczyszczania i/lub chłodzenia gazu.

Reaktor stapiająco-zgazowujący 5 ma przewód 8 doprowadzający stałe, zbrylone nośniki węgla, przewód 9 do recyrkulacji pyłów, przewód 10 doprowadzający gazy zawierające tlen oraz przewody 11, 12 doprowadzające płynne lub gazowe, w temperaturze pokojowej, nośniki węgla, jak węglowodory, a także prażone dodatki. W reaktorze 5 poniżej strefy 13 stapiania i zgazowywania zbiera się roztopiona surówka 14 i roztopiony żużel 15, który odprowadza się przez otwory spustowe 16, 17.

PL 195 481 B1

Zbrylona ruda, zredukowana w żelgrudę w piecu szybowym 1 w strefie redukcji 2, jest przenoszona razem z dodatkami prażonymi w strefie redukcji 2, do reaktora stapiająco-zgazowującego przewodami 18 łączącymi piec szybowy 1 z reaktorem stapiająco-zgazowującym 5, na przykład za pośrednictwem nie pokazanego na rysunku ślimaka dozującego.

Z górną częścią pieca szybowego 1 łączy się przewód 19, odprowadzający gaz gardzielowy powstający w strefie redukcji 2. Gaz ten, mający temperaturę około 200-400°C, doprowadza się poprzez urządzenie oczyszczające 20 do urządzenia 21 usuwającego CO2, na wlocie którego ma on w przybliżeniu temperaturę otoczenia. Skład chemiczny gazu gardzielowego jest w zasadzie następujący:

	CO2	CO	H2	N2 + reszta
% obj.	35	40	20	5

Po wyjściu z urządzenia 21 usuwającego CO2, gaz gardzieIowy uwolniony teraz w znacznym stopniu od CO2 maw zasadzie następujący skład chemiczny:

	CO2	CO	H2	N2 + reszta
% obj.	2	60	30	8

Gaz gardzielowy doprowadza się następnie do rekuperatora lub regeneratora 22, w którym nagrzewa się go do temperatury około 450°C. Potem oczyszczony gaz gardzielowy, pozbawiony w zasadzie CO2, dostaje się do reaktora 23, w którym jest częściowo spalany z doprowadzaniem przewodem 33 czynnika zawierającego tlen, w szczególności czystego tlenu. Dzięki temu gaz uzyskuje temperaturę około 850°C. Częściowo spalony gaz ma w zasadzie następujący skład chemiczny:

	CO2	CO	H2	N2 + reszta
% obj.	5	58	29	8

Nagrzany gaz gardzielowy jest teraz doprowadzany przewodem 24 do przewodu 25 okrężnego wielkiego pieca 26, i jest wprowadzany do tego pieca w dolnej części szybu wielkiego pieca. Do wielkiego pieca, który może mieć dowolną tradycyjną konstrukcję, doprowadza się z góry tlenki żelaza wraz z koksem i dodatkami przewodem 27. Roztopioną surówkę 28 i roztopiony żużel 29 odprowadza się w zwykły sposób otworami spustowymi 30, 31. Gorący dmuch doprowadza się okrężnicą 32.

Dzięki tego rodzaju sposobowi i instalacji uzyskuje się zgodnie z wynalazkiem następujące korzyści:

- szczególnie efektywne zwiększenie zdolności wytwórczych żelaza w już istniejącym wielkim piecu drogą redukcji bezpośredniej, gdyż gaz gardzielowy pochodzący z tego procesu wykorzystuje się w wielkim piecu, i tak samo gaz gardzielowy uzyskany z procesu redukcji bezpośredniej wykorzystuje się do dodatkowego wytwarzania surówki w istniejących wielkich piecach,

- wzrost wydajności wielkiego pieca przez zwiększenie stopnia redukcji poprzez pośrednią redukcję gazową wsadu i przez to poprawę bilansu cieplnego w strefie spadek i trzonu wielkiego pieca,

- efektywną kalcynację zbrylonych dodatków, gdy są one ładowane bezpośrednio do wielkiego pieca.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania surówki Iub płynnych wyjściowych produktów stalowniczych z materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza, w wielkim piecu, przy czym co najmniej część strumienia gazu gardzielowego wychodzącego z redukcyjnego pieca szybowego uwalnia się w znacznym stopniu od CO2, ewentualnie podgrzewa, i jako gaz redukcyjny wprowadza do wielkiego pieca, znamienny tym, że ten wychodzący z redukcyjnego pieca szybowego i uwolniony w znacznym stopniu od CO2 gaz gardzielowy wprowadza się do dolnej strefy szybu wielkiego pieca, przy czym uwolniony w znacznym stopniu od CO2 gaz gardzielowy przed jego wprowadzeniem do szybu wielkiego pieca nagrzewa się przez częściowe spalanie.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w redukcyjnym piecu szybowym redukuje się gazem część materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza, a otrzymane zredukowane cząstki żelaza stapia się w reaktorze stapiająco-zgazowującym z doprowadzaniem węgla i gazu zawierającego tlen z jednoczesnym powstawaniem gazu redukcyjnego, z tym że gaz redukcyjny doprowadza się do strefy redukcji pieca szybowego.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że uwolniony w dużej mierze od CO2 gaz gardzielowy nagrzewa się przez częściowe spalanie do temperatury ponad 750°C.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że pozbawiony CO2 gaz gardzielowy przed jego częściowym spalaniem podgrzewa się rekuperacyjnie i/lub regeneracyjnie, korzystnie do temperatury w zakresie 30°-600°C.
5. 5. Urządzenie do wytwarzania surówki lub płynnych wyjściowych produktów stalowniczych z materiałów wsadowych zawierających rudę żelaza, z co najmniej jednym wielkim piecem do wytwarzania surówki albo płynnych wyjściowych produktów stalowniczych, a także z co najmniej jednym redukcyjnym piecem szybowym do zbrylonej rudy żelaza, który ma co najmniej jeden przewód odprowadzający powstający w nim produkt redukcji oraz co najmniej jeden przewód odprowadzający gaz gardzielowy, przy czym przewód gazu gardzielowego uchodzi do urządzenia usuwającego CO2, a ponadto jest przewidziany co najmniej jeden kolejny przewód do wprowadzania gorącego, wolnego w znacznym stopniu od CO2 gazu gardzielowego do wielkiego pieca, znamienne tym, że ma co najmniej jeden przewód (25) do wprowadzania gorącego gazu gardzielowego do dolnej strefy szybu wielkiego pieca (26) oraz reaktor (23) do częściowego spalania gazu gardzielowego przed jego wprowadzeniem do szybu wielkiego pieca, połączony przewodami z urządzeniem (21) usuwającym CO2 oraz szybem wielkiego pieca (26).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że redukcyjny piec szybowy (1) ma co najmniej jeden przewód (6) doprowadzający gaz redukcyjny, i w którym jest przewidziany co najmniej jeden reaktor stapiająco-zgazowujący (5), do którego uchodzi co najmniej jeden przewód (18) odprowadzający produkt redukcji z redukcyjnego pieca szybowego, i który ma pewną liczbę przewodów (8,9, 10) doprowadzających dla gazów zawierających tlen, ewentualnie dla pyłów i nośników węgla, a także co najmniej jeden uchodzący do redukcyjnego pieca szybowego przewód odprowadzający (6) dla powstającego gazu redukcyjnego.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, że przewidziano co najmniej jeden przewód (33) do doprowadzania zawierającego tlen czynnika służącego do częściowego spalania gazu gardzielowego, korzystnie do reaktora (23).