Процесс FINEX: передовой способ получения чугуна из мелкой руды и некоксующегося угля

Процесс FINEX для производства горячего металла

Процесс FINEX разработан Primetals Technologies (Австрия) и южно-корейской компанией Posco. Это коммерчески проверенная альтернатива доменной печи для производства горячего чугуна (ГЧ) без агломерации руды и коксования. FINEX напрямую использует некоксующийся уголь и мелкую железоруду.

В FINEX мелкая руда предварительно нагревается и редуцируется в тонкое ПРЖ в трехстадийной системе флюидизированных слоев редуцирующим газом из плавильно-газификатора. Флюидизированные слои позволяют использовать мелкую руду вместо агломерата/пеллет. Исключены коксование и агломерация. Брикетирование предредуцированной руды и угля, пневматическое впрыскивание порошкового угля, контролируемая зарядка плавильно-газификатора улучшают удельную коксовость. Тонкое ПРЖ уплотняют в ГКЖ (горячее уплотненное железо) и заряжают в плавильно-газификатор для получения ГЧ. Заряженное ГКЖ редуцируется до металлического железа и плавится. Тепло для редукции и плавления поставляется газификацией угля чистым кислородом (O₂). FINEX — экологичный процесс, использующий дешевую мелкую руду и уголь.

Использование чистого O₂ дает конверсионный газ с низким содержанием азота (N₂). Его нижняя теплота сгорания в 2+ раза выше доменного газа, что позволяет перерабатывать его для редукции или энергогенерации.

История разработки

• 1992–1996: лабораторные испытания на установке 15 т/сут.
• 1999: пилотная установка 150 т/сут.
• 2003 (июнь): демонстрационный завод 0,6 млн т/год в Поханге (Posco), 3 флюидизированных реактора. С 2004 г. стабильное производство >0,7 млн т/год ГЧ.
• 2007 (апрель): первый коммерческий завод 1,5 млн т/год.
• 2014 (январь): завод 2,0 млн т/год в Поханге.

Основное сырье

Уголь

Критерии отбора угля для FINEX:

• Фиксированный углерод (C) ≥ 55%
• Зола ≤ 25%
• Летучие вещества (VM) < 35%
• Сера (S) < 1%

Дополнительно: термическая стабильность для формирования стабильного коксового слоя в плавильно-газификаторе (специальные лабораторные тесты).

FINEX работает без кокса благодаря меньшей нагрузке на коксовый слой и использованию O₂. При колебаниях качества брикетов/степени редукции иногда используют коксовую крошку (<30 мм) — обычно перед/после остановки или при падении температуры ГЧ. Качество коксовой крошки для FINEX ниже, чем для ДП (прочность ~60% кокса ДП). Для нулевого потребления коксовой крошки нужны оптимизация связующего и технология предварительного нагрева угольных брикетов. Сравнение характеристик угля для FINEX и ДП — Рис. 1.

Рис. 1 Характеристики угля для FINEX и ДП

Железорудное сырье

В флюидизированные реакторы заряжают 100% агломератной руды (ситерфид). 30–50% пеллетной руды допустимо. Выбор руд по общим Fe, структуре, зернистому составу. Содержание Fe определяет производительность. Соотношение руд выбирают по качеству и цене. FINEX допускает более высокую Al₂O₃ в шлаке, чем ДП, поэтому можно использовать руды с высоким Al₂O₃. Ограничений по структуре гематита/гоэтита для флюидизированных слоев нет. Гибкость выбора руд — Рис. 2.

Рис. 2 Гибкость выбора железоруд для FINEX

Схема процесса

Ключевая особенность: производство качественного ГЧ из прямых зарядов мелкой руды и угля (редуктант + энергия). Процесс в два этапа:

1. В серии из 3 флюидизированных реакторов мелкая руда редуцируется в ПРЖ, которое уплотняется в ГКЖ и транспортируется горячим конвейером в плавильно-газификатор.
2. Уголь и брикеты заряжаются в плавильно-газификатор, газифицируются, давая энергию для плавления и редуцирующий газ.

Технологическая схема — Рис. 3.

Рис. 3 Технологическая схема процесса FINEX

Маршрут руды

Пневмоподъемник подает руду в башню флюидизированных реакторов. Руда движется вниз через 3 реактора, нагреваясь и редуцируясь ПРЖ за счет редуцирующего газа из плавильно-газификатора (противоток). Типичные параметры газа в реакторах — Таблица 1.

Таблица 1: Типичный газовой состав в трехстадийном флюидизированном реакторе FINEX
Параметр/Компонент	Ед.	R1	R2	R3
Температура	°C	760	750	480
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 руда флюидизируется газовым потоком, степень редукции растет в каждом реакторе. После последнего реактора редуцированное железо уплотняют в ГКЖ, транспортируют горячим транспортером вверх плавильно-газификатора и заряжают вместе с углем. Там происходит финальная редукция и плавление.

Маршрут угля

Некоксующиеся угля и брикеты заряжают в плавильно-газификатор через шлюзовой бункер. На коксовом слое происходит дегазация. Выделяющиеся углеводороды (вредные для экологии) сразу диссоциируют в CO и H₂ при t > 1000 °C в куполе. O₂, впрыскиваемый в нижней части, газифицирует уголь, давая тепло для плавления и ценный редуцирующий газ (преимущественно CO + H₂). Этот газ из купола проходит горячий циклон очистки и идет в флюидизированные реакторы. Опускание ГЧ производится как в стандартной ДП. Качество ГЧ FINEX аналогично ДП.

Конверсионный газ — ценный побочный продукт

Чистый конверсионный газ из верха флюидизированных реакторов используется для: производства ПРЖ, генерации энергии, синтез-газа для химии. Типичный состав газов — Таблица 2.

Таблица 2 Типичный состав газов FINEX
Газ	Ед.	CO	CO₂	H₂	N₂
Off Gas	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Product Gas	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Tail Gas	%	17-18	65-66	10-11	2-3

Поток газа в FINEX — Рис. 4.

Рис. 4 Поток газа в процессе FINEX

Удельное потребление ресурсов (на т ГЧ)

• Сухой уголь ~720 кг
• Железоруда ~1600 кг
• Присадки (известковец, доломит) ~285 кг
• O₂ ~460 нм³
• N₂ ~270 нм³
• Электроэнергия ~190 кВт·ч
• Огнеупоры ~1,5 кг

Характеристики горячего чугуна FINEX

• C ~4,5%
• Si ~0,7%
• Mn ~0,07%
• P ~0,07%
• S ~0,04%
• Температура ~1500 °C

Характеристики конверсионного газа

• CO ~34%
• CO₂ ~43%
• H₂ ~13%
• H₂O ~3%
• CH₄ < 1%
• N₂/Ar ~6%
• H₂S < 100 ppm
• Пыль 5 мг/нм³
• Давление 0,1 кг/см²
• Температура ~40 °C
• Теплота сгорания 1300–1500 ккал/нм³
• Выход ~1,9 Гкал/т ГЧ

Экологические аспекты

FINEX позволяет улавливать высокочистый CO₂ для улавливания и хранения (CCS). Благодаря чистому O₂ в плавильно-газификаторе конверсионный газ содержит мало N₂, что позволяет отделять CO₂ в высокой концентрации (>95% после очистки). Выбросы CO₂ без CCS — 99%, с CCS — 55% от среднего уровня ДП.

FINEX — угольный процесс. Вредные вещества в сырье неизбежны, но большинство загрязнителей уходит в шлак в инертном виде, углеводороды разрушаются в куполе плавильно-газификатора. Выбросы на т ГЧ: пыль ~58 г, SOx ~32 г, NOx ~94 г.

Преимущества FINEX

• Использование низкокачественной мелкой руды.
• Некоксующийся уголь как редуктант.
• Независимое управление редукцией и плавлением.
• Экономическая выгода: значительное снижение капитальных и операционных затрат.
• Экологические преимущества.
• Гибкость сырья и эксплуатации (руды с высоким Al₂O₃).
• Качество ГЧ как у ДП.
• Конверсионный газ с высокой теплотой сгорания для энергетики, ПРЖ, химии.
• Коммерчески проверенная альтернатива ДП.
• Внедрение на действующем заводе дает синергию с ДП.