Процесс HIsarna: ультра-низкоуглеродистое производство стали

Процесс HIsarna для получения железа

Процесс HIsarna — это процесс восстановления-плавления для производства жидкого железа непосредственно из мелких частиц железной руды и угля. Он представляет новый, потенциально более эффективный способ получения железа и разрабатывается для существенного снижения выбросов углерода в процессе получения железа. Это инициатива консорциума ULCOS (ультра-низкоуглеродистое сталеплавление) европейских сталелитейщиков и представляет комбинацию технологии HIsmelt компании Rio Tinto и технологии Isarna, разработанной в Tata Steel Ijmuiden. Процесс исключает предварительную переработку сырья, необходимую для доменного процесса. Состоит из предварительного восстановления мелких частиц железной руды в циклонно-конвертерной печи (CCF) технологии Isarna и ванного плавления железа в сосуде восстановления-плавления (SRV) процесса HIsmelt. Название происходит от объединения названий двух технологий («HI» от HIsmelt и «sarna» от Isarna — кельтское слово для железа). Процесс снижает и углерод, и затраты. Процесс HIsarna происходит в специальном реакторе с узкой циклонной печью сверху и более широким конвертером снизу.

Комбинированный процесс примерно на 20% более энергоэффективен и производит меньше выбросов парниковых газов на тонну горячего металла по сравнению со средней современной технологией доменной печи, прежде всего потому, что не требует спекания руды и производства кокса. Полученный горячий металл можно переработать в сталь в обычной конвертерной печи.

Процесс HIsarna состоит из реактора, в который железная руда впрыскивается сверху. Руда расплавляется в высокотемпературном циклоне и капает на дно реактора, где впрыскивается порошковый уголь. Порошковый уголь реагирует с расплавленной рудой, производя жидкое железо — базовый материал для производства высококачественной стали. Газы, выходящие из реактора HIsarna, в основном концентрированный углекислый газ (CO₂).

Общая концепция HIsarna

Общая концепция HIsarna включает двухстадийный контртоковый контакт между железной рудой и процессным газом. В обеих стадиях рабочая температура выше температуры плавления. На стадии 1 производится расплавленная частично восстановленная руда, которая стекает вниз из CCF в SRV. Две стадии высоко интегрированы в физическом смысле и обе стадии осуществляются в одном плавленном реакторе (Рис. 1).

Рис. 1 Реактор процесса HIsarna

Первая попытка применения циклонной технологии для восстановления железной руды предпринята в Koninklijke Hoogovens в 1960-х, но брошена. Другая серьезная попытка в 1986 г., но из-за экономического кризиса проект приостановлен до начала 1990-х. Проект возродился, когда поставки кокса стали дефицитными в середине 1990-х. Технология CCF развивалась в пилотном масштабе с мощностью 15–20 т/ч рудной загрузки. Попытка снова остановлена в 1999 г. из-за успешной внедренности впрыска порошкового угля в доменные печи.

HIsmelt изначально запущена CRA (ныне Rio Tinto) в 1980-х в пилотном заводе 2 т/ч в Maxhutte, Германия, затем 8 т/ч в Квинане, Западная Австралия в 1990-х. В 2001 г. Rio Tinto партнерила с Nucor Steel, Mitsubishi и Shougang Steel для построения коммерческого завода HIsmelt ~800 000 т горячего металла в год в Квинане. Завод построен 2003–2005 гг., работал 2005–2008 гг., произведено ~400 000 т горячего металла. Завод страдал от проблем с вспомогательным оборудованием, вызывавших низкую доступность и повреждение огнеупоров. Однако производительность и доступность улучшались, и к 4-му кварталу 2008 г. завод производил до 1800 т горячего металла в сутки с 90% доступностью. Этот уровень соответствовал проектной мощности при плавлении гематита, и процесс считался доказанным.

В 2004 г. ЕС давил на стальную индустрию для снижения углеродного следа, и был создан консорциум ULCOS. В 2005–2007 гг. циклонная технология выбрана как одна из четырех высокопотенциальных технологий. Найден теоретический ответ на ранние проблемы пост-циклонной части циклонной печи, и ULCOS привлекла технологию HIsmelt по соглашению с Rio Tinto для выигрышного сочетания. Это привело к проекту пилотного завода в Европе при поддержке ULCOS. Сочетание двух технологий дало процесс HIsarna.

В CCF предварительное восстановление и плавление мелких руд происходит в плавленном циклоне. Железная руда и кислород впрыскиваются в блок CCF в присутствии горячего газа спекователя. Процесс исходит из «конвертированной доменной печи» (CBF), разработанной в 1986–1989 гг. В процессе CBF кусковая руда сильно предварительно восстанавливается в шахтной печи с финальным восстановлением и плавлением в железной ванне, где газифицируется мелкий уголь. Процесс может избежать коксоварения, но не агломерации руды и связанных экологических проблем. Для дальнейшего устранения агломерации разработан CCF, где плавленный циклон применяется для предварительного восстановления и предварительного плавления мелкой руды.

Процесс HIsarna объединяет предварительный нагрев и частичный пиролиз угля в реакторе, плавленный циклон для плавления руды и SRV для финального восстановления руды и производства железа. Плавленный циклон и SRV высоко интегрированы и работают как единая плавленная печь. Мелкая руда и флюс загружаются в плавленный циклон вместе с кислородом. Высокочистый кислород используется для сгорания отходящего газа SRV, входящего снизу циклона. Горение, предпочтительно полное, генерирует значительное количество тепла. Это тепло используется для плавления железной руды и нагрева до температуры SRV ~1450 °C. Процесс HIsarna осуществляется в плавленном сосуде (Рис. 2), который является комбинацией CCF и SRV.

Рис. 2 Технология HIsarna получения железа

Процесс HIsarna не нуждается в металлургических углях и может использовать более доступные (дешевле) энергетические угли. По железной руде HIsarna способен отвергать фосфор в шлак. ~90% фосфора переходит в шлак — прямой результат относительно окисляющих условий (шлак содержит 5–6% FeO). Хотя толерантность к фосфору не критична в некоторых регионах, это открывает возможность эксплуатации определенных железоруд, обычно считавшихся слишком высокофосфорными. Вторая возможность для неконвенциональных руд — титано-ферристый магнетит. Эта руда характеризуется высокими уровнями TiO₂ и железом ~55–60%.

Железная руда с высоким содержанием аллюминия не подходит для доменного пути из-за плохих свойств спека и сниженной производительности ДП. Процесс HIsarna способен работать с высокоаллюминиевым шлаком, потому что высокий FeO в шлаке — естественный флюс. Эти особенности ставяют HIsarna в очень сильную позицию для использования высокоаллюминистых железоруд.

Последовательные этапы процесса HIsarna

Мелкие частицы железной руды и чистый кислород впрыскиваются в часть CCF плавленного сосуда, где горячий отходящий газ от части SRV сжигается кислородом. Мелкие частицы отделяются от газа центробежным потоком газа. Выделенное тепло используется для плавления и частичного восстановления руды. Реакция восстановления: Fe₂O₃ (тв) + 2CO (г) = 4FeO (ж) + 2CO₂ (г). Частично восстановленная расплавленная руда течет вниз под гравитацией в SRV ниже. Продукт циклона — расплавленная смесь Fe₃O₄ и FeO. Ожидаемая температура ~1450 °C, степень предварительного восстановления ~20%.

В верхней части SRV использование тепла постсгорания (преобразования CO в CO₂) критично для процесса. Тепло постсгорания захватывается шлаковым всплеском, циркулирующим через свободное пространство. Всплеск также защищает охлаждающие панели от пламени постсгорания.

Уголь впрыскивается с высокой скоростью с переносным газом (обычно азот) в ванну. Первичная цель — растворить углерод для плавленного этапа. Условия впрыска угля критичны. Температура металлической ванны ~1400–1450 °C с почти нулевым кремнием в металле. Другие примеси (марганец) также на очень низких уровнях. Фосфор и титан в основном переходят в шлаковую фазу как оксиды.

Расплавленная руда на этой стадии растворяется непосредственно в шлаке. Перемешивание металл-шлак генерируется плюмом от впрыска угля. Это перемешивание создает большую межфазную площадь металл-шлак для плавления. Растворенный углерод в металле реагирует с кислородом руды, образуя значительное количество CO. Реакция: FeO(ж) + C(тв) = Fe(ж) + CO(г). Она сильно эндотермична и происходит в нижней части сосуда. Нужен источник тепла для поддержания баланса в этой части. Железные оксиды в шлаке восстанавливаются на границе шлак/металл. Впрыскиваемый уголь поставляет углерод и создает достаточное перемешивание. Благодаря этому перемешиванию FeO в шлаке относительно низок, типично 5–6%.

CO газ от плавления, переносящий газ (азот) и продукты деволетилизации угля образуют восходящий поток горячих топливных газов. Это движение газов генерирует большой всплеск, с каплями металла и шлака, циркулирующими через верхнюю часть плавленного сосуда. Кислород вводится в верхнюю секцию через лассы, генерируя тепло горением. Тепло переносится этими каплями из верхней области в нижнюю. Количество капель, проходящих через зону горения, настолько велико, что средний прирост температуры за проход каждой капли менее ~10 °C. Это позволяет телу двигаться вниз без компрометации градиента кислородного потенциала (относительно окисляющее наверху и сильно восстановительное внизу).

Частично сгоревший газ, выходящий из части SRV плавленного сосуда, обеспечивает необходимый горячий топливный газ для части CCF. Этот газ типично ~1450–1500 °C с степенью постсгорания ~50%. Постсгорание (PC) = 100(%CO₂ + %H₂O) / (%CO + %CO₂ + %H₂ + %H₂O). Цель — достичь почти 100% постсгорания на вершине циклона, тогда отходящий газ будет высококонцентрированным безазотным CO₂. Это делает процесс идеально подходящим для комбинации с захватом CO₂.

Продукты реакций разделяются на два расплавленных слоя (верхний — шлак, нижний — горячий металл). Оба слоя могут отпираться индивидуально, горячий металл идет на дальнейшую переработку в сталеплавлении.

Отходящий дымовый газ процесса HIsarna без азота, так как процесс кислородный. Полностью использованный газ почти не имеет остаточной калорификационной способности. Обработка дымовых газов показана на Рис. 3. Обработка может быть без CCS (захват и секвестрация CO₂) или с CCS.

Рис. 3 Поток выхлопных газов без и с CCS

Пилотный завод

Пилотный завод HIsarna 8 т горячего металла в час (мощность 60 000 т/год) успешно спроектирован и разработан в Tata Steel Ijmuiden, несколько кампаний проведены с 2011 г. Проект совместно развивается Tata Steel и Rio Tinto. Дальнейшее тестирование и развитие с дополнительными партнерами: ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Voestalpine, SSAB, LKAB, Paul Wurth. Помимо партнеров, ЕС предоставил значительное финансирование. Рис. 4 показывает технологическую схему пилотного завода.

Рис. 4 Технологическая схема пилотного завода HIsarna

Проведено пять кампаний. Первый запуск первой кампании неудачен. Остальные четыре — успешны. Перед каждой кампанией горелки предварительно нагревают реактор HIsarna до ~1200 °C. Для быстрого запуска первая партия горячего металла (50 т) перевозилась из доменной печи в пилотный завод HIsarna. После заливки металла рассчитывался максимальный временной слот на основе измеренной температуры и состава. В этом слоте процесс должен был запуститься, чтобы избежать риска «замороженного дна».

Первый успешный отпир жидкого железа — 20 мая 2011 г. Достигнута скорость впрыска 60% от мощности. Данные показали, что процесс работал как ожидалось, но нужно больше наработки для подтверждения. Наработка была ниже ожиданий. Однако цель — показать, что теория работает на практике, т.е. производство жидкого железа без предобработки сырья — достигнута.

Вторая кампания: 17 октября – 4 декабря 2012 г. Цель — производство жидкого железа в течение длительного периода — достигнута. Производство 80% проектной мощности в течение 8–12 часов. В последнем запуске достигнута полная проектная мощность 8 т/ч.

Третья кампания: 28 мая – 28 июня 2013 г. Цель — длительное производство и тесты с разными сырьями — достигнута. Впервые сталь получена из жидкого железа HIsarna.

Четвертая кампания: 13 мая – 29 июня 2014 г. Цель — устойчивое, стабильное производство в течение нескольких дней и тесты сырья — достигнута в конце.

Пятая кампания: октябрь 2017 г. Шестимесячная тестовая кампания, доказывающая длительное производство жидкого железа. Подготовка: значительная перестройка. Установлен полностью новый отходящий газовый воздуховод, увеличив высоту завода на >10 м (37 м максимальная точка). Рядом с пилотным заводом построены полные объекты измельчения угля, сушки и ситирования руды и извести. Установлены закрытые конвейерные ленты для транспорта сырья со склада к точкам впрыска. Емкость хранения удвоена, добавлена газаналитическая лаборатория. Электронная система мониторинга полностью перепрограммирована. Оценка затрат кампании ~25 млн евро.

В шестимесячной кампании тесты со стальным ломом: до 53% материала в процессе может быть ломом. Затем фокус на идеальной сырьевой смеси, вариантах переработки стального шлака, тестах использования CO₂ для впрыска сырья, проверке возможности захвата и хранения CO₂, снижающей выбросы на 80%. Финальная фаза: стальной лом и биомасса, достигнуто снижение CO₂ более 50%.

После успеха кампании следующий этап — проектирование, строительство и тестирование более крупного пилотного завода с инвестициями ~300 млн евро. Ожидается несколько лет тестирования 2–3 раза больше текущего пилотного завода в Tata Steel Ijmuiden. В ноябре 2018 г. объявлено, что новый крупномасштабный пилотный завод будет построен в Джамшедпуре, Индия. Мощность 400 000 т горячего металла в год. Следующее масштабирование планируется до 1 млн т/год. Новый завод не означает закрытие текущего пилотного завода в Ijmuiden. Рис. 5 показывает чертеж сжигателя и масштабирование реактора CCF-SRV.

Рис. 5 Чертеж сжигателя и масштабирование реактора CCF-SRV

После внедрения в промышленном масштабе HIsarna заявляет о снижении выбросов CO₂ минимум на 20% и снижении энергопотребления минимум на 20% по сравнению с конвенциональным сталеплавлением. Также идеально подходит для CCS благодаря отсутствию азота в газах, сжимаемости газа из-за достаточного CO₂ и однопроходной природе газового потока. С учетом CCS можно достичь до 80% снижения CO₂ по сравнению с конвенциональным процессом. Помимо энерго- и углеродоэкономии, HIsarna может устранить 90% процесса фосфора в шлак, позволяя использовать дешевую высокофосфорную руду, недопустимую в конвенциональном доменном процессе.

Важные особенности и преимущества процесса HIsarna

CCF и SRV — выигрышное сочетание технологий. Важные особенности и преимущества: (i) тепло для восстановления и плавления руды производится через кислород; (ii) технология исключает процессы превращения руды в спек или пеллет и коксующегося угля в кокс; (iii) может использовать сырье низкого качества; (iv) CO, образующийся в SRV, используется для создания горячих газов, дающих тепло для реакций в CCF; (v) технология на 20% более энергоэффективна и на 20% менее CO₂-интенсивна; (vi) производимый CO₂ чист и может быть захвачен, хранится и использован, что ведет к дальнейшему снижению выбросов (80% снижение углеродного следа); (vii) может значительно улучшить устойчивость сталеплавления; (viii) использует азот как переносимый газ для растворения углерода в горячем металле; (ix) не нуждается в энергозатратных и сильно загрязняющих процессах; (x) сбор углерода процесса высокоэффективен; (xi) может использовать биомассу или природный газ вместо угля и снизить выбросы CO₂; (xii) инвестиции и операционные затраты ниже за счет широкого спектра загрузки; (xiii) процесс требует значительно меньших капитальных затрат и производит горячий металл при значительно меньших операционных затратах.

Привлекательность HIsarna в сочетании экологических и экономических выгод. Процесс дает легкую возможность захвата высокой доли (до 80%) CO₂ для геологического хранения. Использует энергетические угли вместо коксующихся и низкокачественные железорудные материалы. Снижение выбросов пыли, NOx, SOx и CO на 60–80%.