Процесс Finex для производства жидкого чугуна

Процесс FINEX для производства жидкого чугуна

Процесс плавки-восстановления FINEX был разработан Primetals Technologies, Австрия, и южнокорейским производителем стали Posco. Процесс FINEX является проверенным коммерческим альтернативным процессом производства чугуна для производства чугуна (HM) в дополнение к технологическому маршруту доменной печи (BF), состоящему из доменной печи, аглофабрики и коксовой печи. Этот процесс основан на прямом использовании некоксующегося угля. Процесс FINEX может напрямую использовать мелочь железной руды без какой-либо агломерации.

В процессе FINEX мелкодисперсная железная руда предварительно нагревается и восстанавливается до мелкодисперсного DRI (железа прямого восстановления) в трехступенчатой ​​реакторной системе с псевдоожиженным слоем с восстановительным газом, получаемым из плавильного газификатора. Реакторы с псевдоожиженным слоем позволяют использовать в процессе FINEX мелкодисперсную руду вместо кусковой руды или окатышей.

В результате процесс не требует ни производства кокса, ни агломерации руды. Брикетирование предварительно восстановленной руды и угля, вдувание пылевидного угля и регулируемая загрузка плавильного газификатора (MG) приводят к увеличению расхода топлива для процесса. Мелкий ПВЖ, полученный в реакторной системе с псевдоожиженным слоем, уплотняют и затем загружают в виде HCl (горячепрессованное железо) в плавильный газификатор для получения жидкого металла (ТМ). Заряженный HCl восстанавливают до металлического железа и расплавляют. Тепло, необходимое для металлургического восстановления и плавления, обеспечивается газификацией угля кислородом высокой чистоты (O2). Процесс FINEX — это экологически безопасный процесс, в котором используется дешевая железная руда и уголь.

В процессе FINEX используется O2 высокой чистоты, в результате чего экспортный газ содержит лишь небольшое количество азота (N2). Поскольку его низшая теплотворная способность (CV) более чем в два раза выше, чем у колошникового газа доменной печи, его можно частично перерабатывать для восстановительной работы или использовать для производства тепла или энергии.

Начальная работа

Основные лабораторные исследования были проведены с 1992 по 1996 год на стендовой установке производительностью 15 т/сутки. Результаты этой установки были использованы для тестовых операций опытной установки производительностью 150 т/сутки в 1999 г. Демонстрационная установка FINEX производительностью 0,6 миллионов тонн в год (млн тонн в год) был построен на заводе Posco в Пхохане и начал производство в июне 2003 года. Этот завод имеет три реактора с псевдоожиженным слоем. С февраля 2004 года демонстрируемый завод стабильно производил более 0,7 млн ​​тонн чугуна в год. Posco ввела в эксплуатацию первый коммерческий завод FINEX мощностью 1,5 млн тонн в год в апреле 2007 года. Основываясь на успешных результатах этого завода, Posco и Primetals Technologies решили построить завод FINEX мощностью 2,0 млн тонн в год в Пхохане. Завод введен в эксплуатацию в январе 2014 года.

Основное сырье

Уголь и железная руда являются двумя основными видами сырья. Основными критериями для первоначальной оценки углей или угольных смесей, подходящих для процесса FINEX, являются (i) фиксированное содержание C (углерода) на уровне не менее 55 %, (ii) содержание золы на уровне не более 25 %, (iii) Содержание VM (летучих веществ) менее 35 % и (iv) содержание S (серы) менее 1 %. В дополнение к этим общим характеристикам уголь должен отвечать определенным требованиям, связанным с термической стабильностью, чтобы обеспечить образование стабильного слоя угля в плавильной печи-газификаторе. Термическая стабильность потенциальных углей для процесса FINEX проверяется с помощью специальных процедур испытаний в лабораториях.

Процесс FINEX может работать без кокса из-за более низкой нагрузки на слой полукокса плавильного котла-газификатора и использования O2. В случае изменения качества угольных брикетов и колебаний степени обжатия часть коксовой мелочи (менее 30 мм) обычно используется до и после останова или при снижении температуры ТМ для поддержания производительности и снижения топливной экономичности. Текущая операция обеспечивает постоянный уровень коксовой мелочи для минимизации вышеописанных эффектов. Качество коксовой мелочи, используемой в процессе FINEX, не подходит для работы доменной печи и имеет прочность около 60 % кокса доменной печи. Для обеспечения работы без коксовой мелочи необходимы несколько оптимизаций операций, таких как оптимизация связующего и разработка технологии предварительного нагрева угольных брикетов. Характеристики угля для процесса FINEX и их сравнение с характеристиками угля для производства доменного чугуна представлены на рис. 1.

Рис. 1. Характеристики угля или процессы FINEX и BF

В случае железной руды, как правило, 100 % агломерата мелкозернистой руды загружают в реакторы с псевдоожиженным слоем. Также можно использовать от 30 % до 50 % гранулированного корма. Типы и состав железной руды определяются на основе химических и физических свойств, таких как общее содержание железа (Fe), структура состава, размер зерен и т. д. Как и в случае производства ТМ с помощью доменного производства, содержание Fe в железной руде определяет производительность. Соотношение смешивания должно определяться как с учетом качества руды, так и с точки зрения стоимости. Поскольку выпуск шлака с более высоким содержанием глинозема (Al2O3) более допустим в процессе FINEX, чем в процессе BF, можно также использовать железные руды с более высоким содержанием Al2O3. Как правило, нет никаких ограничений в структуре исходного материала гематита и гетита для реакторов с псевдоожиженным слоем. Гибкость железных руд, подходящих для процесса FINEX, показана на рис. 2.

Рис. 2. Гибкость железной руды для процесса FINEX

Процесс

Процесс FINEX отличается производством высококачественных ТМ на основе прямо загружаемой мелочи железной руды и угля в качестве восстановителя и источника энергии. Ключевой особенностью процесса FINEX является то, что производство чугуна осуществляется в два отдельных этапа. В серии из трех реакторов с псевдоожиженным слоем мелкодисперсная железная руда восстанавливается до DRI, которая затем уплотняется (HCI) и транспортируется в плавильный агрегат-газификатор по конвейеру горячего металла. Уголь и угольные брикеты, загружаемые в плавильный котел-газификатор, газифицируются, обеспечивая необходимую энергию для плавки в дополнение к восстановительному газу. Технологическая схема процесса FINEX представлена ​​на рис. 3.

Рис. 3. Схема процесса FINEX

Жидкий чугун производится по технологии FINEX в два этапа. На первом этапе мелочь железной руды предварительно нагревают и восстанавливают до тонкого прямого восстановления в реакторах с псевдоожиженным слоем в три этапа. Первый реактор (R3) служит главным образом в качестве реактора для предварительного нагрева мелочи железной руды. Мелкая железная руда загружается в серию реакторов с псевдоожиженным слоем вместе с флюсами, такими как известняк и/или доломит. Загруженная рудная мелочь проходит вниз через три реактора, где руда нагревается и восстанавливается до прямого восстановления с помощью восстановительного газа, который получается при газификации угля в плавильном газификаторе. Этот восстановительный газ течет в направлении, противодействующем движению руды.

В соответствии с технологическим маршрутом руды пневматическая транспортная система транспортирует рудную мелочь в башню реактора с псевдоожиженным слоем. Затем мелкозернистая руда загружается в серию реакторов с псевдоожиженным слоем. Восстановительный газ, образующийся в плавильной печи-газификаторе, проходит через каждый из реакторов с псевдоожиженным слоем в противотоке в направлении руды (от R1 к R3). Типичная температура и состав восстановительного газа в трех реакторах с псевдоожиженным слоем приведены в таблице 1.

<тд 42"> <тд 43">480

Таблица 1:Типичная газовая атмосфера для трехступенчатого реактора с псевдоожиженным слоем для процесса FINEX
Параметр/компонент	Единица	Реактор с псевдоожиженным слоем
	R1	R2	R3
Температура	градусы Цельсия	760	750
CO	%	45,4	39,3	32,7
CO2	%	20,4	29,2	26,7
H2	%	17,2	16,9	14,3
H2O	%	5.4	7.3	7.8
N2	%	11,6	6.6	18,4
CH4	%	Нет	Нет	Нет

Мелкая железная руда псевдоожижается газовым потоком, и руда все больше восстанавливается на каждой стадии реактора. После выхода восстановленного железа из конечного реактора с псевдоожиженным слоем его затем уплотняют для получения HCl. Затем HCl транспортируется по системе горячего транспорта в верхнюю часть плавильного газификатора, где он непосредственно загружается вместе с углем в плавильный газификатор. Затем происходит окончательное восстановление и плавление HCl.

В соответствии с технологическим маршрутом угля некоксующиеся угли и угольные брикеты загружаются непосредственно в плавильный газификатор через систему шлюзового бункера. После того, как уголь падает на слой угля, происходит дегазация. Высвобожденные углеводороды, вредные для окружающей среды, немедленно диссоциируют на CO (окись углерода) и H2 (водород). Это связано с преобладающими высокими температурами, превышающими 1000 град С, в куполе плавильной печи-газификатора. O2, впрыскиваемый в нижнюю часть плавильной печи-газификатора, газифицирует уголь, вырабатывая тепло для плавки, а также производя ценный восстановительный газ, состоящий в основном из CO и H2. Этот газ, выходящий из купола плавильной установки-газификатора, сначала очищается в циклоне с горячим газом перед поступлением в реакторы с псевдоожиженным слоем. После плавления DRI процедура выпуска осуществляется точно так же, как и в стандартной практике доменной печи. Качество ТМ, полученного в процессе FINEX, такое же, как у ТМ, произведенного в БФ.

Экспортный газ FINEX является ценным побочным продуктом процесса FINEX. Чистый экспортный газ, выходящий из верхней части реакторов с псевдоожиженным слоем, может использоваться для самых разных целей. К ним относятся производство DRI, производство электроэнергии и производство синтез-газа для химической промышленности. Типичный состав различных газов, образующихся в процессе FINEX, приведен на вкладке 2.

<тд 57">35-36 <тд 57">32-33 <тд 52">14-15 <тд 61">10-11 <тд 57">53-54 <тд 57">2-3 <тд 52">24-25 <тд 61">17-18 <тд 57">17-18 <тд 57">65-66 <тд 52">10-11 <тд 61">2-3

Вкладка 2 Типичный состав газов
Состав газа	Единица	CO	CO2	H2	N2
Отходящий газ	%
Продукт Газ	%
Хвостовой газ	%

  Поток газа в процессе FINEX показан на рис. 4.

Рис. 4. Поток газа в процессе FINEX

Типичные значения удельного расхода материалов и вспомогательных средств в процессе FINEX:(i) сухое топливо около 720 кг/т ТМ, (ii) железная руда около 1600 кг/т ТМ, (iii) добавки (известняк и доломит) около 285 кг/т. т ТМ, (iv) O2 около 460 Н м3, (v) N2 около 270 Н м3, (vi) мощность около 190 кВтч/т ТМ и (vii) огнеупоры около 1,5 кг/т ТМ.

Характеристики ТМ, произведенного по процессу FINEX, состоят из (i) содержания углерода около 4,5 %, (ii) содержания кремния (Si) около 0,7 %, (iii) содержания марганца (Mn) около 0,07 %, (iv) содержания фосфора (P) около 0,07 %, (v) содержание серы (S) около 0,04 % и (vi) температура около 1500 °C.

Характеристики экспортного газа процесса FINEX состоят из (i) CO около 34 %, (ii) CO2 около 43 %, (iii) H2 около 13 %, (iv) H2O около 3 %, (v) CH4 менее 1 %, (vi) N2/Ar около 6 %, (vii) H2S менее 100 частей на миллион (частей на миллион), (viii) пыль 5 мг (миллиграмм)/N·см3, (ix) давление 0,1 кг/кв. см, (x) температура около 40°C, и (xi) CV в диапазоне от 1300 ккал/Н м3 до 1500 ккал/Н м3. На тонну ТМ производится около 1,9 гигакалорий экспортного газа.

Экологические аспекты процесса

Процесс FINEX позволяет извлекать CO2 высокой чистоты для улавливания и хранения CO2 (CCS). Помимо хранения, извлеченный CO2 также можно использовать для повышения нефтеотдачи, а также для других экономических целей. Это возможно из-за использования O2 высокой чистоты в плавильном газификаторе для газификации угля, и, следовательно, экспортный газ содержит только небольшое количество N2. Это позволяет удалять СО2 в высокой концентрации из рециркулирующего газа и генерировать после дополнительной очистки СО2 высокой чистоты с процентным содержанием СО2 выше 95%. Уровень выбросов CO2 для процесса FINEX без CCS и с CCS составляет 99 % и 55 % соответственно по сравнению со средним уровнем выбросов CO2 в случае доменного производства чугуна.

Процесс FINEX представляет собой основанный на угле процесс восстановления железной руды до железа, которое затем переплавляется в ТМ. Определенное количество экологически вредных веществ неизбежно в зависимости от состава сырья. Поскольку процесс FINEX улавливает большую часть загрязняющих веществ в инертном состоянии в шлаке, а выделяющиеся углеводороды разрушаются в куполе плавильного газификатора, выбросы вредных веществ очень низки. Значения выбросов на тонну ТМ для пыли, SOx и NOx составляют около 58 граммов на тонну (г/т), около 32 г/т и около 94 г/т соответственно.

Преимущества процесса FINEX

Различные преимущества процесса FINEX включают (i) использование мелкозернистой железной руды низкого качества в качестве сырья для оксидов, (ii) использование некоксующихся углей в качестве восстановителя, (iii) независимый контроль процессов восстановления и плавления, (iv) ) выгодная экономика из-за значительного снижения капитальных и эксплуатационных затрат, (v) преимущества для окружающей среды, (vi) гибкость в выборе сырья и операций, таких как возможное использование железных руд с более низким содержанием (например, железных руд с более высоким содержанием Al2O3), ( vii) производство ТМ аналогичного качества ТМ из доменной печи, (viii) экспортный газ с более высоким коэффициентом теплотворной способности, который можно использовать для различных целей (например, для производства электроэнергии, производства прямого восстановления и производства химических продуктов), (ix ) проверенный коммерческий альтернативный процесс производства чугуна, и (x) применение на старом месторождении на интегрированном сталелитейном заводе обеспечивает синергию с доменной печью.