FASTMET и FASTMELT: передовые технологии железопроизводства для эффективного получения металла

Процессы FASTMET и FASTMELT железопроизводства

Процесс FASTMET — это угольный процесс железопроизводства. Он позволяет конвертировать металлические оксиды либо из мелкодисперсных железных руд, либо из металлургических отходов сталелитейных заводов в металлизированное железо. Процесс FASTMELT — это процесс FASTMET с добавлением «электрической плавки железа» (EIF) для производства жидкого железа или горячего металла. Kobe Steel в сотрудничестве с Midrex Technologies, Inc., дочерней компанией Kobe Steel в США, разработала этот процесс. FASTMET — уникальный процесс, использующий печь с вращающимся дном (RHF) для восстановления агломератов, содержащих уголь, с высокой степенью восстановления и высокой производительностью. Рисунок 1 показывает упрощенное поперечное сечение и вид сверху RHF.

Рис. 1 Упрощенное поперечное сечение и вид сверху печи с вращающимся дном

Процесс FASTMET конвертирует пелетную загрузку из железной руды, мелкодисперсную железную руду и/или металлургические отходы сталелитейных заводов в пряморедуцированное железо (DRI) с использованием пульверизованного некоксующегося угля в качестве восстановителя. Конечный продукт DRI может быть либо горячебрикетирован для производства горячебрикетированного железа (HBI), либо разгружен как горячее DRI в транспортерные контейнеры, либо охлажден, если требуется холодное DRI. Горячее DRI непосредственно разгружается из RHF в EIF и плавится для производства горячего металла. Горячий металл может быть отлит в чугун. Редуцированное железо/горячий металл может быть заряжен в первичную сталеплавильную печь.

Помимо облегчения переработки металлургических отходов в загрузку для конвертера/дуговой печи, у процесса есть две главные цели. Одна — более высокая металлизация оксидов железа, что снижает нагрузку на процесс плавки. Другая — высокое отношение удаления цинка, что снижает концентрацию цинка в цикле переработки. Для загрузки в доменную печь нужна высокая прочность на сжатие, что также достигается путем регулировки связующего и соотношения смешения сырья в процессе FASTMET.

Историческое развитие

Восстановление железной руды в RHF впервые было попыткой Midland Ross Co., предшественника Midrex Technologies, Inc. Процесс, называемый «Heat Fast», был уникален тем, что включал композитные пеллеты, состоящие из железной руды и углеродного материала, которые предварительно нагревались в решетке, предварительно восстанавливались в RHF и охлаждались в шахтном охладителе. Процесс «Heat Fast» был успешно протестирован на пилотном заводе мощностью 2 тонны в час (т/ч) в Кули, Миннесота, с 1965 по 1966 год.

Одновременно с разработкой «Heat Fast» разрабатывался также процесс Midrex DRI на основе природного газа, который предлагал продукт более высокого качества, чем «Heat Fast», и более низкие операционные затраты (природный газ был очень дешев в то время). Из-за тогда низких операционных затрат газового процесса работа по «Heat Fast» была прекращена, и коммерческая разработка никогда не была предпринята.

Midrex возобновил интерес к использованию RHF для прямого восстановления в начале 1980-х. Несколько исследований указывали, что процесс на основе RHF может быть разработан для производства пряморедуцированного железа по привлекательной цене. В 1990-х цена на природный газ выросла, и затем был построен и введен в эксплуатацию пилотный завод FASTMET в техническом центре Midrex с диаметром RHF 2,75 м и производственной мощностью 160 кг/ч. С 1992 по 1994 год было проведено более 100 кампаний.

Kobe Steel и Midrex Technologies, Inc. сотрудничали для перезапуска разработки угольного процесса на основе RHF с намерением коммерциализировать технологию. Опираясь на работу пилотного завода «Heat Fast», датируемую 1960-ми, были внесены улучшения в технологию, что привело к более высокой производительности, улучшению качества продукта, большей гибкости процесса и повышению эффективности. Конечным результатом стала разработка процесса FASTMET. Kobe Steel и Midrex продвинули процесс FASTMET на шаг вперед, разработав процесс FASTMELT, который требует горячего разряда DRI из RHF и гравитационной зарядки в EIF, плавку печь, специально спроектированную для плавки горячего DRI FASTMET для производства горячего металла.

Демонстрационный пилотный завод был построен в 1995 году на заводах Kakogawa компании Kobe Steel Limited (KSL). Завод имел RHF диаметром 8,5 м и производственную мощность 2,5 т/ч. Завод работал непрерывно с 1995 по 1998 год. Через различные демонстрационные операции, проведенные там, Kobe Steel и Midrex Technologies, Inc. установили процесс FASTMET для коммерциализации. В 2000 году первый коммерческий завод FASTMET был поставлен на заводы Hirohata компании Nippon Steel Company (NSC) для восстановления 190 000 тонн в год (т/год) сталелитейных отходов. Процесс FASTMET был признан за свою способность эффективно перерабатывать пыль сварки. Детали первых пяти введенных в эксплуатацию заводов приведены в Таблице 1.

Можно видеть, что этот процесс в настоящее время используется для утилизации металлургических отходов сталелитейного завода. Помимо металлургических отходов, процесс может также использовать мелкодисперсную железную руду размером, равным размеру пелетной загрузки (менее 45 микрометров). Это потому, что процесс имеет встроенные стадии агломерации. Процесс FASTMET/FASTMELT представляет альтернативный путь к железопроизводству в мощностях от 100 000 т/год до 500 000 т/год. Процесс FASTMELT предлагает альтернативу технологии мини-доленной печи (ДП). Рефрактарий, используемый в RHF и EIF, соответствует стандартным спецификациям, обычно используемым в железопроизводстве. Проект EIF основан на проверенных проектах технологий ЭДП (электродуговой печи) и ЛП (ковшовая печь).

Особенности процесса FASTMET

Процесс FASTMET явно отличается от газового процесса восстановления с использованием конвертированного газа, производимого из природного газа, тем, что он нагревает и восстанавливает композитные агломераты, каждый из которых состоит из железной руды или металлургических отходов сталелитейного завода и угля. Этот простой и уникальный процесс, включающий быстрый нагрев, осуществляет быструю реакцию восстановления. Агломераты размещаются в один или два ровных слоя над дном и нагреваются с помощью излучательного тепла. Это предотвращает окисление агломератов, несмотря на условия в печи газов сгорания, имеющие значительный окислительный потенциал.

Процесс может достигать нагрева и восстановления агломератов одновременно и эффективно при идеальном соотношении воздух-газ в RHF. Кроме того, горючий газ, генерируемый из углерода в агломератах, сгорает во вторичном сгорании над ними. Это значительно подавляет выбросы NOx, несмотря на то, что RHF — печь со средой высокой температуры. Это еще одна особенность процесса FASTMET.

По мере вращения дна RHF пеллеты или брикеты проходят через три зоны и быстро нагреваются. В каждой зоне три газовых горелки, чье соотношение воздух/топливо может быть отрегулировано для достижения желаемого бедного или богатого сгорания в каждой зоне. В конце зоны 3 материал проходит под разделительной стеной, отделяющей финальную зону сгорания от зоны разгрузки. Винтовой конвейер выносит горячий продукт DRI с дна в разделительный желоб, а затем по гравитации в азотно-обдувной контейнер для продукта DRI или в EIF.

Теплообменник, установленный на оборудовании обработки отходящих газов, конвертирует энергию, содержащуюся в высокотемпературных отходящих газах, в энергию для нагрева воздуха, используемого либо для сгорания, либо для сушки сырья. Это снижает общее потребление энергии.

Сырье, такое как пыль сталелитейного завода, может иногда генерировать диоксины при сгорании. В процессе FASTMET, однако, температура RHF составляет 1300 °C или выше, что достаточно высоко для подавления генерации диоксинов. Отходящий газ из RHF быстро охлаждается через температурную область, в которой диоксины могут рекомбинироваться, предотвращая их перекомпозицию. Рис. 2 показывает типичную схему процесса FASTMET/FASTMELT.

Рис. 2 Типичная схема процесса FASTMET / FASTMELT

Горячий отходящий газ, выходящий из RHF, охлаждается с помощью испарительного охладителя перед входом в теплообменник. Показательная теплота в отходящем газе используется для предварительного нагрева воздуха сгорания RHF и воздуха сушилки для зеленых шаров до около 350 °C. Отходящий газ, выходящий из предварительного нагревателя, дополнительно охлаждается вторым испарительным охладителем перед входом в мешковый фильтр, где оксид цинка восстанавливается и отправляется в силос для хранения. Индукционный вентилятор расположен на выходе мешкового фильтра для достижения необходимого перепада давления для системы отходящих газов и контроля RHF под небольшим отрицательным давлением.

Необходимые коммунальные услуги: заводской воздух, азот, пар, приборный воздух, пополняющая вода и сжиженный природный газ. Завод также нуждается в открытой рециркуляционной схеме процессной воды и закрытой схеме охлаждения машин.

Горячее DRI, разгруженное из RHF, имеет три варианта разгрузки: (i) охлаждение для производства холодного DRI, (ii) брикетирование в брикетирующей машине для производства HBI, (iii) плавка в EIF для производства жидкого железа. Это жидкое железо может быть отлито в машине для отливки чугуна для производства чугуна.

DRI имеет множество пор, оставшихся после процесса восстановления. Если долго экспонировать воздуху, металлическое железо реоксидируется в оксид железа, ухудшая его качество. Если DRI не используется немедленно как сырье для плавильной печи или доменной печи, уплотнение и консолидация DRI в горячебрикетированное железо (HBI) предотвращает реоксидацию. Это позволяет хранить редуцированное железо длительное время без деградации качества. Хранимое HBI может быть заряжено в первичную сталеплавильную печь или в доменную печь. Будет ли редуцированное железо, произведенное процессом FASTMET, использовано как DRI в виде пеллет/брикетов или сформировано в HBI с использованием оборудования HBI, зависит от применения продукта (источника железа) и его срока хранения.

Металлургические отходы (пыль), генерируемые на сталелитейном заводе, традиционно пелеттизировались или синтерировались внутри завода для переработки пыли как сырья для доменных печей. Сырье доменной печи, однако, содержит летучие компоненты, особенно цинк, который испаряется в зоне высокой температуры доменной печи. Однако не весь пар выходит из доменной печи. Некоторая часть пара охлаждается и удерживается недавно заряженными материалами, оставаясь в печи. Накопленные летучие компоненты снижают проницаемость доменной печи и значительно ухудшают её производительность.

Процесс FASTMET испаряет тяжелые металлы, такие как цинк и свинец, которые препятствовали переработке лома, и конвертирует их в сырой оксид цинка и подобное. Это позволяет сбрасывать эти элементы в отходящие линии без их циркуляции в процессе. Оборудование обработки отходящих газов оснащено системой охлаждения и сбора пыли, которая в сочетании с воздушным и водяным охлаждением предотвращает прилипание летучих компонентов к стенкам оборудования. Это обеспечивает стабильную и непрерывную операцию в течение длительного времени и сбор сырого оксида цинка и подобного, используя мешковый фильтр. Собранный сырой оксид цинка — ценный ресурс и перерабатывается вместе с редуцированным железом.

Процесс и принципиальные реакции

Процесс FASTMET начинается со смешивания мелкодисперсной железной руды или металлургических отходов сталелитейного завода (содержащих высокий процент оксида железа) с пульверизованным углем, агломерации смеси в пеллеты или брикеты с использованием пелеттизатора или брикетирователя, сушки агломератов в сушилке и размещения агломератов над дном RHF в один или два ровных слоя.

Пеллеты или брикеты должны быть изолированы от воздуха при входе в печь. Их скорость загрузки контролируется точно одновременно. Процесс FASTMET содержит систему загрузочных труб, позволяющую регулировать количество труб в зависимости от размера печи, тем самым одновременно достигая изоляции от воздуха и контроля объема. Винтовая система выравнивания используется для размещения агломератов в один или два ровных слоя.

По мере вращения дна брикеты нагреваются излучением от температур зон RHF выше 1300 °C, и оксиды железа восстанавливаются до металлического железа. Восстановление оксида железа осуществляется в основном за счет реакции фиксированного элементарного углерода с магнетитом (Fe3O4) или гематитом (Fe2O3) для образования металлического железа (Fe) и вюстита в твердой форме с выделением оксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO2). Часть угла входит в твердое растворение с металлическим железом для образования карбида железа (Fe3C).

Оксид цинка, оксид свинца и другие летучие металлические оксиды, содержащиеся в загрузке металлургических отходов, также восстанавливаются до металлической формы и испаряются. Эти металлические пары реоксидируются в отходящем газе перед выходом из печи через отвод.

Метод быстрого нагрева, проприетарная технология Kobe Steel, применяется для нагрева пеллет или брикетов, лежащих над дном, быстро достигая высокой температуры 1350 °C. Этот нагрев генерирует реакцию оксидов и углерода. Находясь 8–16 минут, агломераты конвертируются в DRI, который разгружается из печи или поставляется в последующий процесс при температуре 1000–1200 °C. Различные реакции, происходящие между оксидами и углеродом: (i) Fe2O3＋3C = 2Fe＋3CO, (ii) Fe3O4＋4C = 3Fe＋4CO, (iii) Fe2O3＋3CO = 2Fe＋3CO2, (iv) Fe3O4＋4CO = 3Fe＋4CO2, (v) FeO＋CO = Fe＋CO2, и (vi) ZnO＋CO = Zn＋CO2.

Сгорания газ (CO), выделяемый из пеллет/брикетов в результате реакции восстановления, может использоваться как топливо для RHF, что значительно снижает количество топлива, поставляемого к горелке.

Атмосфера в EIF процесса FASTMELT состоит по сути из CO газа и поэтому сильно восстановительная. Эта восстановительная атмосфера способствует восстановлению кремния и удалению серы.

Стабильный и непрерывный разряд DRI из RHF при высокой температуре достигается благодаря проприетарной технологии KSL, такой как повышение дна печи восстановления. В отличие от доменной печи, FASTMET может запускать и останавливать операцию с относительной легкостью в зависимости от объема производства, что позволяет производить в ответ на спрос.

Механизм восстановления

Кинетика реакции восстановления в печи прямого восстановления обычно контролируется диффузией восстановительного газа снаружи. В процессе FASTMET реакция восстановления происходит внутри углеродно-композитных пеллет/брикетов, состоящих из мелкодисперсной железной руды и пульверизованного угля. Как только композитные пеллеты/брикеты нагреваются, CO газ внутри них способствует восстановлению оксида железа. Поэтому реакция восстановления проходит быстрее в углеродно-композитных пеллетах/брикетах, чем реакция восстановления в обычном процессе прямого восстановления. Основные реакции восстановления, считающиеся происходящими в процессе FASTMET: (i) FexOy + yC = xFe + y CO (эндотермическая реакция), (ii) CO2 + C = 2CO (эндотермическая реакция), и (iii) FexOy + yCO = xFe + yCO2 (экзотермическая реакция).

При температурах ниже точки плавления железа практически нет прямой реакции с твердым углеродом пульверизованного угля, и поэтому реакция, данная в уравнении (i), доминирует в кинетике реакции. При более высоких температурах 1000 °C и выше реакция генерации CO газа за счет потерь углерода в растворении по уравнению (ii) и реакция оксида железа CO газом по уравнению (iii) происходят последовательно внутри углеродно-композитных пеллет/брикетов. В этих реакциях генерация CO газа контролирует кинетику реакции с её сильно эндотермической природой. Следовательно, для продвижения реакции необходимо снабжать теплом, нужным для реакции, внутренность углеродно-композитного пеллета/брикета при более высокой температуре 1000 °C или выше. Это означает, что тепло должно передаваться эффективно излучением от атмосферы к поверхности пеллета/брикета и проводимостью от поверхности пеллета/брикета к его внутренности. Рис. 3 показывает механизм восстановления углеродно-композитных пеллет/брикетов.

Рис. 3 Механизм восстановления углеродно-композитных пеллет/брикетов

В RHF пеллеты/брикеты обычно нагреваются зональными температурами выше 1300 °C и восстанавливаются до металлического железа. Время пребывания на дне обычно 8–16 минут. Это варьируется в зависимости от обрабатываемого материала, размера пеллет/брикетов и других факторов. Быстрая скорость восстановления, достигаемая в процессе FASTMET, обусловлена высокой температурой восстановления, высокой скоростью теплопередачи и тесным контактом углерода, содержащегося внутри брикетов, с оксидом железа. Теплопередача и различные реакции восстановления, происходящие в RHF, схематично показаны на Рис. 4.

Рис. 4 Схема теплопередачи и реакций восстановления в RHF

Продукт

Конечный продукт процесса FASTMET/FASTMELT может быть HBI, горячее DRI, разгруженное непосредственно в транспортерные контейнеры, холодное DRI или жидкое железо (горячий металл). Металлизация, достигаемая в процессе, более 85%. Температура горячего металла, производимого процессом FASTMELT, варьируется от 1450 °C до 1550 °C и имеет типичный состав: углерод — 3–5%, кремний — 0,3–0,6%, марганец — 0,6–1,2%, сера — менее 0,05%, фосфор — менее 0,03%.

Обработка отходящих газов и экологический контроль

Отходящий газ, выходящий из RHF, полностью сгорает, содержа около 2% кислорода. Теплообменники используют тепловую энергию в отходящем газе для предварительного нагрева воздуха сгорания для горелок RHF и сушилок подготовки сырья. Отходящий газ выходит из печи с вращающимся дном через крышу и течет через рефрактаровосточную отводную трубу в воздуховод отходящих газов. Правильное расположение отводной трубы отходящих газов относительно зон сгорания RHF определяется анализом загрузочных материалов, кинетики восстановления и проверяется «Вычислительной динамикой жидкости». Разбавляющий воздух впрыскивается в воздуховод отходящих газов для обеспечения охлаждения и сгорания любых оставшихся горючих (водорода и CO) в потоке отходящих газов.

Водяной распыл добавляется в первичный охладитель для охлаждения газа от более 1400 °C до 1000 °C для минимизации образования NOx и обеспечения приемлемой входной температуры для рекуператора. Из первичного охладителя отходящий газ течет через предварительный нагреватель воздуха сгорания и воздуха сушилки, где тепло отходящего газа используется для нагрева воздуха сгорания для горелок вращающегося дна и вращательной сушилки. Отходящий газ выходит из предварительного нагревателя сгорания во вторичный охладитель. Водяной распыл добавляется во вторичный охладитель для охлаждения газа от около 800 °C до 120 °C для обеспечения приемлемой входной температуры для системы мешкового фильтра. Отходящий газ затем течет в струйную тканевую фильтровальную мешковую камеру, где собирается сырой оксид цинка, а затем в индукционный вентилятор, где он сбрасывается через трубу в атмосферу.

Контроль SO2 обычно не нужен в процессе FASTMET, так как большая часть SO2 реагирует с металлическими оксидами в газовой тракте и поглощается ими. Впрыск извести может использоваться для дополнительного контроля SOx. NOx контролируется за счет использования низко-NOx горелок и тщательного операционного контроля соотношения воздух-топливо и температур сгорания. Диоксины ифураны уничтожаются высокими температурами и длительным временем пребывания в RHF. Скорость охлаждения дымовой газа контролируется для минимизации реформации диоксинов ифуранов. Частицулы удаляются из дымового газа системой мешкового фильтра. Сырой оксид цинка собирается системой мешкового фильтра и хранится в силосе.

Процесс FASTMET экологически чист. Выбросы CO2 от процесса FASTMELT составляют около 1,6 т на тонну горячего металла (т/т гор. металла) против около 2,1 т/т гор. металла выбросов CO2 в случае мини-доленной печи. Выбросы NOx находятся в диапазоне 0,3–1,5 кг на тонну горячего металла (кг/т гор. металла), а выбросы SOx — около 2,4 кг/т гор. металла.

Преимущества процесса FASTMET

Процесс FASTMET предоставляет другой вариант для обращения с металлургическими отходами сталелитейного завода. Завод FASTMET, расположенный на сталелитейном заводе, может перерабатывать пыль и производить два основных продукта: DRI для зарядки обратно в первичную сталеплавильную печь и сырой оксид цинка для продажи процессорам цинка. Это превращает пассив в актив. Устраняется высокая стоимость утилизации и становится доступным недорогое поставление железных единиц.

Преимущества процесса включают: (i) очень низкое образование мелкой фракции в процессе приводит к высокому содержанию цинка и очень низкому содержанию железа во вторичной пыли, (ii) высокая металлизация и высокое удаление цинка делают продукт восстановленного железа перерабатываемым в первичную сталеплавильную печь, (iii) отходов для утилизации не образуется, (iv) высокотемпературная обработка разлагает диоксины, и (v) цинковая пыль может обрабатываться экономно и становится продуктом, а не отходом.