SE435732B - Forfarande for framstellning av rajern ur jernslig - Google Patents

Description

i59-3 Föreliggande uppfinning avser mer precíserat ett förfarande, där såväl förreduktion som slutreduktion integrerats i en process, där det till- förda kolets energiinnehåll utnyttjas maximalt.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett förfarande för framställning av råjärn ur järnslig, innefattande att i ett reaktorkärl injicera järnslig, kol, syrgas och slaggbildare under en i reaktorn fö- refintlig järnsmältas yta och utmärkes av, att förhållandet C02/CO i av- gasen bringas att öka till ett högre värde än vad som motsvarar jämvikts- förhållandet vid atmosfärstryck, varigenom en större värmeutveckling i badet bringas att ske för en viss kolmängd av, att injicerad mängd kol i förhållande till mängd siig är förutbestämd att vara tillräcklig för att i reaktorn slutreducera förreducerad järnslig, samt av, att CO och H2 i avgasen leds till ett förreduktionssteg, i vilket oreducerad järnslig förreduceras, varefter denna injiceras i reaktorn.

I ett förreduktionssteg sker reduktion av järnslig till en förreduktions- grad, som är optimal för slutreduktion i en reaktor.

Genom att medelst en smältreduktion i reaktorn slutreducera järnslig un- der tillförande av kol, kommer viss mängd CO att bildas och förefínnas i avgasen från reaktorn. Avgasen tvättas ren från C02, varefter kvarvarande CO bringas att förreducera oreducerad järnslig, varvid CO oxideras till C02. Enl. förfarandet tillföres därför endast en kolmängd till reaktorn, som är tillräcklig för att i reaktorn slutreducera förreducerad järnslig.

En sådan mängd kol är tillräcklig för att det i avgasen skall finnas till~ räckligt med CO för att förreducera den oreducerade järnsligen i förreduk- tionssteget. Detta förfarande medför således en mindre kolåtgång än vad som är fallet vid kända processer. Den mindre mängden kol medför en lägre mängd genererad gas, en lägre mängd stoft och en lägre mängd slagg.

Målet för uppfinningen är att undvika stora mängder gas, stoft och slagg, under det att ett minimum av kol behöver utnyttjas, eftersom gas, stoft och slagg i större mängder innebär avsevärda hanteringsproblem.

Reduktion av järnoxid kräver tillgång till reduktionsmedel och kan beskri- vas med reaktionerna Feox + xco + Fe + xcoz (ia) Feox + xc + Fe + xco (ib) FeOX + XH2 + Fe + XHZO (2) ..?.,_.__ _ _. szniise-s Reduktion enl. (la) och (2) kan ske i fast fas till 100% metalliserings~ grad och produkten kallas då järnsvamp. Denna järnsvamp måste sedan smäl- tas och raffineras före gjutning och bearbetning. Om fastfasreduktionen inte drivs till fullständig metallisering sker endast en förreduktion av järnsligen. Reduktionsgraden kan beskrivas med uttrycket Fe0 (3) x där X kan variera mellan 0 och 1,5.

Motsvarande förlopp för reaktion (lb) kan ske i ett smält kolhaltigt järn- bad. Den från ovan beskrivna reaktioner bildade gasfas får då en samman- sättning, som bestäms av reaktionerna 1:02 + c I zco (h) och H20 + to 2 C02 + H2 (5) Reaktion (Ä) är kraftigt förskjuten till höger vid höga temperaturer och låg syrepotential, d.v.s. under betingelser, som råder i ett smält järnbad med mer än 1% C. Reaktíon (4) och (5) ger tillsammans en gassammansättning med mer än 98% CO + H2 från det smälta järnbadet. 1 det ovan nämnda svens- ka patentet . . . . . . . .. (p.ans. 7706876-5) är detta fallet.

Om reduktionsarbetet i stället sker vid en lägre temperatur i fast fas, kommer den resulterande gassammansättningen att vara mer oxiderad, d.v.s. innehålla högre halter av C02 och H20.

Konkret innebär detta att gas genererad i en reaktor med smält järnbad vid cza 15000 C genom reaktion (lb), (Ä) och (5) kan tillföras en förreduk- tionsenhet vid 800 - 10000 C och där utföra reduktionsarbete och sedan lämna reaktorn med C02 + H20-halt, som är flerfaldigt högre än utgående gas från det smälta järnbadet. Om gasreduktionen sker etappvis, exempelvis i 2 - 3 reaktorer i serie eller där ingående järnslig hela tiden möter re- duktionsgasen i motström, kommer reduktionspotentialen i gasen att effek- tivt utnyttjas.

Det kommer dock alltid att återstå en viss andel CO och H2 i den resulte- rande avgasen från förreduktionen. Denna återstod kan recirkuleras efter det att C02 och H20 tvättats ut ur gasen. På detta sätt kan energiinnehål- let i reduktionsgasen utnyttjas till 100%. Ovanstående resonemang bygger på att systemet alltid befinner sig i jämvikt. llåabiitafla Vidare förhåller det sig så att reaktionerna c + 1/2 02 + co (6) och c + oz + coz (7) är exoterma, med det förhållandet att reaktion (7) är c:a 250% mer värme- avgivande än reaktion (6). Omvänt är reaktion (lb) endoterm och kräver alltså energi för att kunna genomföras.

För att reducera järnoxíd till en metallisk produkt är det därför nödvän- digt att tillföra energi exempelvis genom att reaktionerna (6) eller (7) ger mer värme än reaktion (lb) kräver.

Detta kan göras i ett smält järnbad, genom att ett kolbärande material .tillförs i sådana proportioner i förhållande till syrgas och järnoxid att energibalans erhålles. Under de betingelser, som råder i ett smält järn- bad kommer reaktion (6) att vara helt dominerande i förhållande till re- aktion (7). I det fall stenkol används, exempelvis ångkol med en viss halt flyktiga beståndsdelar, måste reaktion (6) ske i sådan utsträckning att det genererade värmet täcker, inte bara reduktion av järnoxid, men också smältning av aska i ingående kol samt krackning av de kolväten, som finns i kolet. Detta ger under realistiska betingelser en oacceptablet hög kolförbrukning för att producera järn och dessutom genereras mycket stora gasmängder av en medelvärdesgas bestående av CO och H2(> 98%).

En dylik mängd gas, som dessutom innehåller så hög halt CO och H2 är icke önskvärd vid en råjärnsprocess. Givetvis är det ej heller önskvärt att tillföra den stora erforderliga mängden kol.

Såsom ovan kortfattat angivits minskas erforderlig kolmängd, genom att denna i slutreduktionssteget endast är tillräcklig för att reducera för- reducerad järnslig. För att därvid generera erforderligt värme utnyttjas förhållandet att reaktion (7) är c:a 250% mer värmeavgivande än reaktion (6). Såsom ovan nämnts skall förhållandet C02/CO i avgasen från reaktorn bringas att öka till ett högre värde än vad som motsvarar förhållandet vid atmosfärstryck. Detta innebär att åtgärder skall vidtagas för att bilda mera C02, varvid reaktionens (7) värmegenerering tillvaratages i reaktorn.

Förhållandet C02/CO skall härvid dock bringas att öka till högst ett värde, som motsvarar att tillräcklig mängd C0 förefinns i avgasen för att förreducera oreducerad järnslig i en förutbestämd önskad grad. öïöíifl TBf9-"É Som exempel kan följande tabell anges, av vilken det framgår hur erforder- lig mängd för reduktion av järnslig där X = 1,33 varierar med förhållandet C02/CO i avgasen från en reaktor.

C02/C0 Kol Avgas Slagg (kg/ton Fd) (m3n/ton Fe) (kg/ton Fe) 0,005 5280 11640 1766 0,055 ZGÖÅ S752 876 0,5 770 l52l ÄÖÜ Som framgår av tabellen kan det erforderliga kolbehovet minskas högst av- sevärt, genom att öka förhållandet C02/CO. Den erforderliga mängden CO, som måste förefinnas i avgasen för att möjliggöra förreduktion av järn- sligen innebär att storleksordningen på förhållandet C02/CO inte bör över- stiga ungefär 3. Även vid små tillförda kolmängder kan således C02/CO för- hållandet ytterligare höjas för att generera mera värme i reaktorn och än- då erhålla tillräcklig mängd CO i avgasen för att kunna genomföra förre- duktionen.

Enl. uppfinningen förefinns två utföringsformer för att höja förhållandet till ett värde, som är högre än vad som motsvarar jämviktsförhållandet vid atmosfärstryck, vilka beskrivas nedan, delvis i anslutning till bifogade ritningar, där - fig. l visar ett blockschema över en process enl. uppfinningen och där - fig. 2 visar ett diagram.

I fig. l visas ett förreduktionssteg 1 och ett slutreduktionssteg 2.

Förreduktionssteget 1 kan utgöras av en två- eller trestegsfluidiserad bädd, till viiken järnkoncentrat tillförs kontinuerligt i form av järnslig eller mikropellets, som förvärmts exempelvis till 2500 C i en icke visad förvärmningsenhet. I chargematerialet kan vid behov också iblandas kol eller koks. En viss del av den utgående gasen från förreduktionssteget 1, som innehåller CO-C02-H2-H20 kan stoftrenas i cykloner och återförs till förvärmningsenheten. Den övriga delen avgaser recirkuleras via en gasbe- handlingsenhet 3 tillbaka till förreduktionssteget l. Det förreducerade järnkoncentratet föres eventuellt via ett mellanlager till slutreduktions- steget 2, såsom pilen 4 utvisar. öëfiflillåäaš För det fall en schaktugnutnyttjas som förreduktionssteg behövs ingen förvärmningsenhet.

Slutreduktionssteget 2 innefattar en keramiskt infodrad reaktor inne- hållande ett kolhaltigt järnbad med en kolhalt överstigande 1% och vid en temperatur av 1h00 - 155Û° C. Till reaktorn föres förreducerad järn- slig Ä, kol 5, syrgas (02) 6 och slaggbildare 7 (exempelvis Ca0). Dess- utom tillföres i förekommande fall ett kylmedel 8, vilket kan utgöras av exempelvis vatten. Dessa material tillföres företrädesvis reaktorn via injektionsmunstycken i reaktorns nedre del, således under järnba- dets yta. Förreducerad järnslig kan dock tillföras via injektionsmun- stycken ovanför badytan eller i slagglinjen. l slutreduktionssteget 2 bildat råjärn 9 och slagg 10 kan avtappas kon- tinuerligt eller diskontinuerligt på känt sätt.

Den i slutreduktionssteget 2 bildade avgasen 11 leds till en gasbehand- lingsenhet 3, där gasen dels tvättas ren från C02, dels kyles genom ång- genereríng 12 av tillfört vatten 13 och dels stoftrenas. Borttvättad och kyld C02 lå utledes i den fria atmosfären.

Gasbehandlingsenheten 3 innehåller även värmeväxlare för att höja gasens temperatur, efter det att den kylts i samband med C02-tvätt och stoftre- ning.

Den reduktionsgas 15, som lämnar gasbehandlingsenheten-3 består huvudsak- ligen av CO och H2. Gasen 15 leds till förreduktionssteget 1, där den oxideras så ett den huvudsakligen kommer att innehålla C02 och H20. Avga- sen 16 från förreduktionssteget 1 leds tillbaka till gasbehandlingsenhe- ten 3, där kvarvarande mängd CO omhändertages och tillbakaleds till för- reduktionssteget 1 som reduktionsgas 15.

I gasbehandlingsenheten 3 stoftrenas avgasen 11 från reaktorn. Stoftet 17 injiceras i reaktorn i slutreduktionssteget 2.

Eventuellt kan, då CO-halten i avgasen 11 är relativt hög, avgasen 11 le- das direkt från reaktorn till förreduktionssteget, under det att den blan- das med reduktionsgas 15, som efter att ha passerat förreduktionssteget tvättats ren på C02 i gasbehandlingsenheten 3.

Eventuellt kan en kylare 18 förefinnas för att kyla den förreducerade järnsligen Ä. asccnrrrsisvr-a Ovan nämndes att det enl. uppfinningen finns tvâ utföringsformer för att höja förhållandet C02/CO till ett värde, som är högre än vad som motsva- rar jämviktsförhållandet vid atmosfärstryck.

Den första av dessa utföringsformer är att reaktorn bringas att ha ett totalt tryck överstigande atmosfärstryck och upp till 50 bar, företrä- desvis omkring 2 till 10 bar. l det ovan angivna svenska patentet nr. 8103201-3 anges, som nämnts, att en reaktor trycksättes. Anledningen till att reaktorn enl. patentet trycksätts är att öka massflödet genom reaktorn utan att öka det volymet- riska flödet. Detta ger möjlighet till en betydligt större genererad gas- mängd än om atmosfärstryck råder.

Det är vidare känt ifrån patentet 8103201-3 att reaktion (Ä) ovan för- skjutes åt vänster vid förhöjt tryck, varigenom C02/CO-förhållandet ökar.

Emellertid bygger föreliggande uppfinning vad avser den första utförings- formen på insikten att ett ökat tryck påverkar de kinetiska förhållandena i reaktorns järnbad, så att jämvikten enl. reaktion (Å) vid det aktuella trycket inte hinner inställa sig. Detta förhållande förklaras med hjälp av fig. 2, vilket visar fraktionen av 02, C02 och CO, som funktion av badhöjd och tryck. Det skall sägas att diagrammet är principiellt, efter- som fraktionerna påverkas av injektionshastigheten. Syrgas injiceras från reaktorns botten. Syrepotentialen är där hög och syrgasen oxiderar kol i badet till C02. Under gasens uppehållstid reduceras C02 till CO av kolet i badet via reaktion (4). Reaktion (5) bestämmer förhållandet H20/H2. Om gasen lämnar badet innan jämvikt uppnåtts utnyttjas det genererade för- bränníngsvärmet för reduktion. Ett ökat tryck medför, såsom framgår av diagrammet, att mängden C02 ökar i förhållande till mängden CO ovanför en badhöjd av ungefär 0,ü meter. De heldragna linjerna visar fraktionerna justerade för de uppträdande kinetiska effekterna vid atmosfärstryck. De streckade linjerna visar motsvarande fraktioner vid ett övertryck av 10 bar. Ju högre tryck, liksom ju högre ínjektionshastighet, desto kraftiga- re är den kinetiska effekten.

Genom att trycksätta reaktorn kan således avgasen bringas att innehålla en högre mängd C02 i förhållande till CO än vad som är fallet vid atmos- färstryck. 33% 'iEÉ-a ä Vid exempelvis badhöjden omkring 1,2 meter och ett totalt tryck av 10 har genereras en avgas med ett C02/CO-förhållande av omkring 3. Som framgår av diagrammet kan en badhöjd väljas, där förhållandet är betydligt större el- ler betydligt mindre.

Enl. en föredragen utföringsform regleras reaktorns totala tryck medelst därför lämpliga tryckregleringsdon för att därigenom justera förhållandet C02/CO i avgasen till ett förutbestämt önskat värde.

Enl. en annan föredragen utföringsform regleras reaktorns metallbads höjd med mängden material, som injiceras resp. avtappas för att därigenom jus- tera förhållandet C02/CO i avgasen till ett förutbestämt önskat värde.

Badhöjd och tryck måste givetvis väljas av fackmannen med hänsyn till fak- tiska förhållanden, såsom önskad reaktorvolym, reaktorkapacitet och önskad mängd CO i avgasen för den efterföljande förreduktionen med hänsyn tagen till att minimera kolbehovet.

Att C02/CO-förhållandet i avgasen bringas att öka genom trycksättning av reaktorn medför att en större värmemängd utvecklas i badet för en viss mängd inmatad kol, där den kraftigt exoterma reaktionen (7) utnyttjas. En relativt sett betydligt mindre mängd kol kan således vid ett övertryck ge- nerera tillräckligt med värme för reduktionen av den förreducerade järn- sligen, än vad som är fallet vid atmosfärstryck, tack vara nämnda kinetis- ka effekt, till vilken även effekten av förskjutningen av reaktionen (Ä) åt vänster läggas. Den jämviktsmässiga förskjutningen av reaktion (Å) åt vänster vid högre tryck utgör dock endast ett mindre bidrag till ett ökat C02/CO-förhållande jämfört med den ovan beskrivna kinetiska effekten.

Enl. en andra utföringsform inblåses syrgas 19 medelst en lans mot reak- torbadets yta, där reaktorn har atmosfärstryck. Vid atmosfärstryck är C02/ CO-förhållandet lågt i avgasen vid reaktorbadets yta. Genom att vid ytan, medelst syrgas förbränna CO till C02 utvecklas en stor värmemängd, vilken leds från badets yta ned i reaktorbadet och kommer detta till godo. För- hållandet C02/CO i avgasen il från slutreduktionssteget 2 kommer således även enl. denna utföringsform att vara betydligt högre än vad som motsva- rar jämviktsförhållandet vid badytan då atmosfärstryck råder och syrgas - inte tillsätts. estnfi :ss-á Emellertid är det föredraget att utnyttja en trycksättning enl. den första utföringsformen och vid denna utföringsform utnyttja den andra utförings- formen för att justera och ytterligare höja C02/CO-förhållandet.

En dylik justering göres med hänsyn till den erforderliga mängden CO för förreduktionssteget l. CO-mängden bör motsvara eller endast något översti- ga den erforderliga mängden för att förreducera den oreducerade järnsli- gen. Vid denna justering skall givetvis hänsyn tagas till mängden vätgas (H2) i avgasen, eftersom denna också är en reducerande gas.

Det är tydligt från det ovan sagda att uppfinningstanken är att endast ge- nerera tillräckligt mycket värme i slutreduktionssteget för att smälta och reducera ett förreducerat järnkoncentrat. En låg kolförbrukning uppnås ge- nom en högre förbränningsgrad av utgående gas från slutreduktionssteget än den som bestäms av jämvikten med ett kolhaltigt järnbad vid atmosfärs- tryck. Den effektivastevärmegenereringen erhålles om värmeutvecklingen sker i badet, vilket är fallet om slutreduktionssteget trycksättes. Den i avga- sen förefintliga mängden CO utnyttjas för förreduktionen. Förreduktionen medför att i slutreduktionssteget endast förreducerat järnkoncentrat behö- ver slutreduceras.

Uppfinningen medför som nämnts en låg kolförbrukning, låg gasmängd och låg stoftmängd i förhållande till mängden producerat råjärn jämfört med kända processer, där en reaktor utnyttjas.

Föreliggande uppfinning kan givetvis varieras på en mängd för fackmannen uppenbara sätt, särskilt vad beträffar de olika ingående enheternas utfö- rande.

Uppfinningen skall därför inte anses begränsad till ovan angivna utfö- ringsformer, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna Våffl-

Claims (5)

sam löstes 10 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av råjärn ur järnslig, innefattande att i ett reaktorkärl injicera järnslig, kol, syrgas och slaggbildare under en i reaktorn förefíntlig järnsmältas yta, k ä n n e t e c k n a t a v, att förhållandet C02/CO i avgasen bringas att öka till ett högre värde än vad som motsvarar jämviktsförhållandet vid atmosfärstryck, varigenom en större värmeutveckling i badet bringas att ske för en viss kolmängd av, att inji- cerad mängd kol i förhållande till mängd slig är förutbestämd att vara tillräcklig för att i reaktorn slutreducera förreducerad järnslig, samt av, att CO och H2 i avgasen leds till ett förreduktionssteg, i vilket ore- ducerad järnslig förreduceras, varefter denna injiceras i reaktorn.

2. Förfarande enl. krav l, k ä n n e t e c k n a t a v, att reaktorn bringas att ha ett totalt tryck överstigande atmosfärstryck och upp till 50 bar, företrädesvis omkring 2 till lß bar, varigenom förhållandet C02/CO ökar.

3. Förfarande enl. krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att syrgas blåses mot badets yta för att förskjuta förhållandet C02/CO till ett högre värde, varigenom värme tillföres reaktorn. Ä.

Förfarande enl. krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t a v, att reaktorns totala tryck regleras för att justera förhållandet C02/CO i av- gasen till ett förutbestämt önskat värde.

5. Förfarande enl. krav 2, 3 eller H, k ä n n e t e c k n a t a v, att reaktorns metallbads höjd regleras för att justera förhållandet C02/CO i avgasen till ett förutbestämt önskat värde.