HIsmelt: передовое прямое плавление для производства жидкого железа

Процесс HIsmelt получения железа

Процесс HIsmelt — это воздушная технология прямого плавления, простая, но инновационная. Процесс предназначен для производства жидкого железа (горячего металла) с использованием мелких частиц железной руды или любого другого подходящего ферристочного сырья. Плавление осуществляется в ванне жидкого железа с использованием угля в качестве восстановителя и энергоносителя. Основные сырьевые материалы: мелкие частицы железной руды, уголь и флюсы (известняк и доломит).

HIsmelt — сокращение от «high intensity smelting» (высокоинтенсивное плавление). Это процесс прямого плавления для получения жидкого железа непосредственно из железной руды. Процесс разработан для обработки мелких частиц железной руды с минимальной предварительной подготовкой, что делает его более гибким в отношении качества обрабатываемой руды. Процесс позволяет использовать некоксующийся уголь и мелкие частицы железной руды с значительными примесями. Главный продукт — жидкое железо или горячий металл, который можно использовать в сталеплавильном цехе или отливать в машину для отливки чугуна. Побочные продукты — шлак и отходящий газ.

Драйверы альтернативного получения железа

• Возможность использовать более дешевое и доступное сырье: некоксующиеся угли и неагломерированные руды
• Меньшие экономические размеры завода
• Конкурентоспособные капитальные и операционные затраты
• Снижение экологических проблем за счет исключения коксовых батарей и спековальных/пеллетных заводов
• Гибкость эксплуатации

Процесс HIsmelt очень гибок, так как может использовать широкий спектр ферристочных загрузок, включая металлургические отходы и высокофосфорную руду. Процесс может использовать руды до 6 мм (обычное спековое сырье) и также руды, типичные для пеллетизации (80% мельче 40 мкм) без изменения железного выхода. Угли от коксовой крошки до 38% летучих некоксующихся угля могут использоваться.

Основные особенности процесса

Процесс HIsmelt прост и продемонстрировал высокий уровень надежности. Базовый механизм — восстановление и плавление железосодержащих руд растворенным углеродом в металлической ванне. Это достигается за счет впрыска и частичного сгорания угля непосредственно в ванну и переноса тепла, генерируемого постсгоранием выходящих из ванны газов, с обогащенным кислородом горячим воздухом обратно в ванну. Обогащение горячего воздуха кислородом (до 30% O₂) успешно использовалось для повышения интенсивности работы агрегата с ожидаемым ростом производительности. Общие реакции и механизм теплопереноса обеспечивают достаточно энергии для поддержания реакций восстановления и тепла для плавления железа и шлака.

Процесс происходит в вертикальном сосуде прямого восстановления и плавления (SRV — Smelt Reduction Vessel) под давлением, который является ядром HIsmelt (Рис. 1). SRV имеет огнеупорный дно и водохлаждаемую верхнюю оболочку. В огнеупорном дне находятся ванна жидкого железа и жидкий шлак. Толстый слой шлока расположен над металлической ванной. Мелкие частицы железной руды, уголь и флюсы впрыскиваются непосредственно в расплав в SRV. При контакте с железной ванной происходит растворение углерода угля, который реагирует с оксидами в железосодержащей загрузке, образуя угарный газ (CO). Быстрый нагрев угля также приводит к крекингу летучих компонентов угля с выделением водорода.

Рис. 1 Сосуд прямого восстановления и плавления (SRV) HIsmelt

Фонтан расплавленного материала, состоящий в основном из шлака, изрыгается в верхнее пространство за счет быстрого выталкивания CO, водорода и азота-носителя из расплава. Горячий воздух 1200 °C подается в верхнее пространство через водохлаждаемый ласс. CO и водород постсгорают с кислородом горячего воздуха. Нагретое металло и шлак падают обратно в ванну, обеспечивая энергию для прямого плавления железной руды. Выброшенный шлак обкладывает водохлаждаемые панели, снижая потери энергии.

Отходящий газ частично охлаждается в мембранном капюшоне. Чувствительная и химическая энергия отходящего газа затем используется для предварительного нагрева, предварительного восстановления и/или кальцинации металлической загрузки и флюсов. Отходящий газ затем очищается в скруббере и используется как топливо для горячих колодцев или в коэлектростанции.

Сосуд оснащен передней печью для непрерывного отпира горячего металла. Это поддерживает оптимальный уровень ванны в SRV и обеспечивает чистый продуктовый поток без необходимости внешнего разделения шлака и металла. Шлак отпирается периодически через водохлаждаемую щель.

Процесс HIsmelt имеет ряд уникальных особенностей, отличающих его от других процессов прямого плавления:

• Процесс использует металлическую ванну как первичную реакционную среду. Другие процессы прямого плавления обычно загружают руду и уголь сверху, с плавлением через кокс (плюс небольшое количество металла) в шлаковом слое. Растворенный углерод в металле — более доступный восстановитель, чем кокс в шлаке, так как последний требует промежуточной газовой фазы (CO). Другими словами, HIsmelt достигает значительно более высоких скоростей плавления, используя углерод в более активной (растворенной) форме.
• Другой дифференцирующий фактор — степень перемешивания в расплаве. Впрыск сырья непосредственно в металл генерирует большой объем «глубокого» газа. Это создает сильный плавучесть-драйвный восходящий плюм, который в свою очередь вызывает быстрый обмен жидкости. Рассчитано, что этот обмен составляет порядка тонн в секунду. При этих условиях практически нет потенциала для установления значительных температурных градиентов (более 20–30 °C) в жидкой фазе, и система работает с (по сути) изотермической расплавленной ванной. Быстрый массообмен способствует хорошему теплопереносу из верхнего пространства в ванну без значительного перегрева отдельных капель. Последствия значительны для донных огнеупоров в зоне шлака, так как хорошее перемешивание приводит к воздействию на кирпичи низкого FeO и равномерной (низкой) температуры.
• Метод впрыска твердых материалов с помощью высокоскоростных ласс обеспечивает высокую эффективность захвата в расплаве, и даже ультрамелкие частицы могут использоваться напрямую.
• «Естественный» уровень FeO 5–6% в шлаке в сочетании с 4% углеродом в металле создает условия для сильного распределения фосфора из металла в шлак. Типично 80–90% фосфора переходит в шлак (Рис. 2).
• Работа угля практически не зависит от морфологии частиц, так как уголь измельчается тонко для впрыска.

Рис. 2 Условия удаления фосфора в SRV и SRV HRDF

Историческое развитие процесса

Происхождение HIsmelt восходит к процессу конвертера с нижним дующим кислородом (OBM) и эволюции комбинированного процесса сталеплавления, разработанного Klöckner Werke на их сталелитейном заводе Maxhütte. CRA (ныне Rio Tinto) создала совместное предприятие в 1981 г. с Klöckner Werke для развития технологий сталеплавления и восстановления-плавления. Испытания проводились в 60-тонном конвертере OBM для демонстрации основ концепции восстановления-плавления. Успешное тестирование концепции привело к созданию маломасштабного пилотного завода (SSPP) мощностью ~12 000 т/год на заводе Maxhütte. Конструкция SSPP основана на горизонтальном вращающемся SRV с нижними тюйерами для впрыска угля, флюсов и железной руды. SSPP работал с 1984 по 1990 г. и доказал жизнеспособность технологии.

Следующий этап — HIsmelt Research and Development Facility (HRDF) в Квинане, Западная Австралия. Строительство началось в 1991 г. Мощность HRDF — 100 000 т/год. Главная цель — демонстрация процесса и инженерного масштабирования основного завода и получение эксплуатационных данных для коммерческой оценки. Оригинальная конфигурация SRV для Квиنانы была прямым масштабированием SRV SSPP на основе горизонтального сосуда, способного вращаться на 90°. Горизонтальный сосуд работал с октября 1993 по август 1996 г. Хотя масштабирование процесса успешно продемонстрировано, сложность проектирования горизонтального сосуда ограничивала его коммерческую жизнеспособность.

Для преодоления этого недостатка разработана конструкция водохлаждаемого вертикального сосуда. Проектирование вертикального SRV (Рис. 2) завершено в 1996 г. Основные улучшения: стационарный вертикальный сосуд, верхний впрыск твердого сырья, упрощенный ласс горячего воздуха, передняя печь для непрерывного отпира горячего металла и водохлаждаемые панели для решения проблем износа огнеупоров.

Вертикальный SRV HRDF введен в эксплуатацию в первой половине 1997 г. и работал до мая 1999 г. Вертикальный сосуд продемонстрировал крупные улучшения по износу огнеупоров, надежности, доступности, производительности и простоте конструкции. Этот этап подтвердил готовность процесса к масштабированию до коммерческого завода.

В 2002 г. создано совместное предприятие: Rio Tinto (60%), Nucor Corporation (25%), Mitsubishi Corporation (10%), Shougang Corporation (5%) для строительства и эксплуатации завода HIsmelt мощностью 800 000 т/год. Расположен в Квинане, Западная Австралия, торговая чугунная фабрика спроектирована с SRV диаметром дна 6 м. Строительство начато в январе 2003 г. Холодные пуско-наладочные работы начались во второй половине 2004 г., горячие — во 2-м квартале 2005 г. Завод достиг производительности 80 т горячего металла в час в начале 2008 г. с угольной нормой 810 кг/т горячего металла.

Из-за экономических условий 2008 г. завод Квиنانы закрыт, а в 2014 г. часть оборудования перевезена из Австралии в Китай. Новый завод HIsmelt расположен у порта Шоугуан в провинции Шаньдун, принадлежит и эксплуатируется частной сталелитейной компанией Molong Petroleum Machinery Limited. Завод запущен в 2016 г. и производит горячий металл по стоимости ниже, чем локальные мини-доменные печи, ранее использовавшиеся Molong. Ладьи с горячим металлом доставляются автотранспортом в цех базового кислородного сталеплавления Molong, расположенный в 40 км к югу от завода HIsmelt. В 2017 г. Molong приобрела интеллектуальную собственность HIsmelt у Rio Tinto для лицензирования технологии другим пользователям в Китае и за рубежом.

Процесс

Процесс HIsmelt, изображенный на Рис. 1, включает высокоскоростной впрыск твердых материалов (уголь, железная руда, флюсы) в ванну жидкого железа при ~1450 °C. Базовый механизм — восстановление и плавление железосодержащих руд растворенным углеродом в ванне. Процесс использует высокоскоростной впрыск угля и руды в расплав через наклонные вниз водохлаждаемые впрыскивающие лассы. Впрыскиваемый уголь после нагрева и деволетилизации растворяется, поддерживая ~4% углерода в жидком металле и восполняя углерод, использованный в реакции восстановления. Впрыскиваемые мелкие частицы железной руды впрыскиваются глубоко в ванну, где они мгновенно восстанавливаются при контакте с растворенным в ванне углеродом для плавления. Реакция восстановления производит железо и CO. Нижняя часть SRV поддерживается при низком кислородном потенциале для этой реакции восстановления, и кинетика реакции уравновешивается при ~5–6% FeO в шлаке.

Реакционный газ (CO) и продукты деволетилизации угля, генерируемые из глубины ванны, образуют фонтан (всплеск) преимущественно шлака и части металла. Теплоснабжение для поддержания теплового баланса идет за счет сгорания реакционного газа (преимущественно CO) в верхней части SRV. Обогащенный кислородом (типично 35%) горячий воздух 1200 °C подается через центральный вихревой ласс и эффективно сжигает газы, генерируемые в ванне, выделяя большие количества энергии. Это горение происходит в относительно окисляющей зоне верхней части SRV. Теплоперенос между верхней (окисляющей) и нижней (восстановительной) зонами осуществляется так, чтобы поддерживался градиент кислородного потенциала. Это достигается за счет больших количеств жидкого всплеска, движущегося между двумя зонами. Жидкий шлак и металл выступают переносчиками тепла.

Впрыск материалов организован так, что достигается значительное проникновение твердых тел в железную ванну, ведущее к растворению углерода в металле и восстановлению железной руды через общую реакцию: 3[C]железо + Fe₂O₃ = 2[Fe]железо + 3CO. Эта реакция сильно эндотермична, и для поддержания процесса необходимо внешнее теплоснабжение. CO плюс водород, выделяемые из ванны, дают топливо для генерации этого тепла. Горячий воздух (обогащенный кислородом воздух 1200 °C) впрыскивается в верхнее пространство через центральный вихревой ласс, и горение происходит для сжигания газов ванны до CO₂ и H₂O: 2CO + O₂ = 2CO₂ и 2H₂ + O₂ = 2H₂O.

Теоретически желательно достичь полного сгорания газа ванны, но на практике постсгорание 50–60% типично. Постсгорание (PC) определяется как отношение объемной концентрации сгорающих компонентов: PC (%) = 100(CO₂ + H₂O) / (CO + CO₂ + H₂ + H₂O).

Плавление происходит в расплаве, где кислородный потенциал низок, тогда как генерация тепла — в верхнем пространстве, где кислородный потенциал относительно высок. Ключ процесса — перенос тепла из зоны горения в зону плавления без компрометации кислородного потенциала в любой зоне.

Когда CO и H₂ выделяются из плавления в ванне, скорость выделения такова, что возникает бурное извержение жидкости. Металл и шлак выбрасываются вверх, образуя газопроницаемый фонтан (всплеск) с высокой удельной площадью для теплопереноса. Горячие газы горения проходят через этот фонтан, перенося тепло каплям шлака и металла, которые в свою очередь доставляют это тепло в ванну. Металл покидает сосуд непрерывно через переливную переднюю печь (фактически жидкометаллический манометрический уплотнитель), тогда как шлак отпирается периодически через боковую стенку сосуда через водохлаждаемую шлаковую щель.

Главный продукт — горячий металл. Горячий металл отпирается непрерывно через открытую переднюю печь и свободен от шлака. Типичная температура горячего металла ~1420–1450 °C, типичный состав: углерод 4,4% ±0,15%, кремний <0,01%, марганец <0,02%, фосфор <0,02% ±0,01%, сера 0,1% ±0,05%.

Относительно окисляющая атмосфера и низкотемпературный шлак в SRV приводят к тому, что 90–95% фосфора в загрузочных материалах переходит в шлак (Рис. 2). Поэтому процесс гибок для использования высокофосфорных руд.

Поскольку шлак отпирается партиями через шлаковую щель, горячий металл свободен от шлака. Горячий металл можно обработать в установке десульфуризации для снижения серы до <0,05%. Типичная технологическая схема HIsmelt показана на Рис. 3.

Рис. 3 Типичная технологическая схема процесса HIsmelt

Отходящий газ из SRV охлаждается с 1500 °C до 800 °C радиационным котельным капюшоном, частично очищается в горячих циклонах, затем до 200 °C через конвективную котельную систему. Радиационная и конвективная котельные генерируют насыщенный пар, идущий в паробарабан на отходящем газовом котле.

Отходящий газ SRV, выходящий из конвективной котельной, гасится, скруббируется и охлаждается водяными распылениями и циркулирует через воздуховоды для использования как топливо для горячих колодцев и отходящего газового котла. В газовом котле избыточный отходящий газ SRV сжигается и перегревает насыщенный пар от радиационной, конвективной и газовой котельных. Этот перегретый пар идет на паровые турбины, генерирующие достаточно энергии для работы завода HIsmelt, вспомогательных систем и отправки избытка в сеть. Выхлопные газы от газового котла и колодцев скруббируются молочком извести для удаления серы перед выбросом в атмосферу.

Побочные продукты — шлак и отходящий газ. Шлак образуется флюсированием гангу в железной руде и золы в угле известию и доломитом. Шлак можно гранулировать или направить в ямы для дальнейшей переработки. Затем можно использовать как сырье для цемента, дорожного основания или почвенного кондиционера. Отходящий газ обычно имеет степень постсгорания 50–60%. Эти газы выходят из верха SRV при высоких температурах и имеют энергетические значения, похожие на доменный газ. Очищается, охлаждается и используется как топливо и для генерации энергии.

Процесс HIsmelt высоко гибок. Высокая отзывчивость означает, что он конвертирует железную руду, уголь и флюс в металл, шлак и энергию почти мгновенно. Возможности процесса позволяют менять скорости загрузки сырья очень эффективно без влияния на качество продукта. Эта эксплуатационная гибкость максимизирует производительность, так как легко поддерживать стационарное окно работы. В отличие от доменных печей, HIsmelt можно запускать, останавливать или держать в режиме ожидания легко. Рис. 4 показывает компоновку завода HIsmelt.

Рис. 4 Компоновка завода HIsmelt

Экологические преимущества

Экологические преимущества HIsmelt значительны. За счет снижения спроса на кокс, спек и пеллеты, и повышения энергоэффективности процесса получения железа, процесс снижает выбросы парниковых газов и других вредных загрязнителей: SOx, NOx и диоксинов. Улучшения: (i) снижение выбросов CO₂ на 20%, (ii) снижение SOx на 90%, (iii) снижение NOx на 40%, (iv) отсутствие токсичных выбросов, диоксины ифураны на нулевом уровне. Эксплуатационные условия в SRV исключают образование диоксинов. Также большое снижение пылевых выбросов и удельного водопотребления. Процесс за счет переработки отходов завода дополнительно способствует защите окружающей среды.

Преимущества

Проектируемые преимущества: (i) низкая стоимость сырья — исключены процессы агломерации ферристочной загрузки и коксоварения; (ii) гибкие сырьевые ресурсы — процесс работает на широком спектре мелких частиц железной руды и оксидных отходов, вместе с высоколетучими и низколетучими углями; (iii) производственная гибкость; (iv) лучшее качество продукта; (v) минимизация общего энергопотребления; (vi) упрощенная инженерия и конфигурация процесса; (vii) экологические выбросы значительно ниже отраслевых; (viii) низкие капитальные затраты; (ix) низкие операционные затраты.