Сухая грануляция шлака доменной печи: повышение энерговозврата и устойчивости

Сухая грануляция шлака доменной печи для энерговозврата

При производстве одной тонны горячего чугуна в доменной печи (ДП) образуется около 300 кг жидкого шлака как побочный продукт. Шлак при температуре ~1500 °C имеет чувствительную теплоту ~400 Мкал/т. Шлак богат CaO, SiO₂, Al₂O₃, MgO — компоненты, похожие на порландцемент.

При достаточно быстром охлаждении жидкого шлака ДП он содержит большой процент стекловидной фазы с высокой цементирующей активностью и может использоваться как ценный продукт, особенно для замещения порландцемента. Это также снижает выбросы CO₂, так как цементное производство также выделяет много CO₂.

Водяная грануляция

Для получения стекловидной фазы жидкий шлак ДП подвергают водяной грануляции. Сегодня быстрое охлаждение жидкого шлака в закрытой водяной грануляторной установке — передовая технология. Быстрое охлаждение в воде предотвращает кристаллизацию шлака и разбивает его на мелкие частицы термическим напряжением. Жидкий шлак застывает в аморфных гранулах — гранулированный шлак ДП. Некристаллизационная скорость водяного гранулированного шлака может достигать 95 %. При медленном охлаждении на воздухе стекловидная фаза весьма ограничена.

Однако водяная грануляция потребляет большой объем воды (1000–1500 л испарительных потерь на тонну жидкого шлака) и может генерировать кислотную пыль, загрязняя воздух. Нужен надлежащий водный менеджмент и сушка гранулированного шлака. Не только теряется чувствительная теплота шлака, но и требуется вышестоящая сушильная установка для использования в цементной промышленности. Сушка обычно потребляет тепловую энергию до 72 Мкал/т шлака.

Разработка сухой грануляции с тепловозвратом

В области сухой грануляции жидкого шлака ДП с тепловозвратом ведется работа во многих странах.

Прогресс в Европе

• Merox Ltd (Швеция): шлак гранулируют ударом о падающую пленку шлака предварительно затвердевшими частицами шлака. Пленка распадается на гранулы, падающие в многоступенчатый флюидизированный слой с тепловозвратом. Заявляют >60 % чувствительной теплоты шлака возвращается как пар, продукт с высоким стекловидным содержанием для цемента.
• British Steel (ныне Tata Steel), Редкар (Великобритания), 1990-е: первые испытания сухой грануляции. Расстояние от атомизирующего кубка до стенки камеры ~10 м для предотвращения прилипания расплава. Частицы шлака с качеством и аморфной структурой как при мокрой грануляции — сухой метод перспективен. Но масштабирование не выполнено.
• Витомице (Чехия), 2002–2004: меньший гранулятор для массового расхода 20 кг/мин жидкого шлака без тепловозврата. Успешные испытания.
• Siemens VAI + Montanuniversität Leoben (Австрия): новая лабораторная установка DSG (Dry Slag Granulation) для НИОКР. Соучастие voestalpine Stahl, ThyssenKrupp Steel Europe, FEhS-Institut. Финансирование BMWi. Цели DSG: (1) гранулированный шлак для цемента со свойствами как при мокром методе (>95 % стекловидной фазы), (2) горячий воздух от охлаждения шлака для тепловозврата. Принцип «Вращающийся кубок» (Davy): расплавленный шлак атомизируется вращающимся кубком с переменной скоростью. Расплавленные капли быстро остывают в полете к стенке гранулятора, разбрасываясь быстрым вращением кубка, затем падают в разработанный флюидизированный слой из уже затвердевших частиц.

Лабораторная установка в Леобене спроектирована на базе результатов FEhS и моделирования Siemens VAI для поиска оптимальных параметров: высокое качество гранулированного шлака и максимальная температура выхода воздуха. На каждом испытании ~300 кг шлака плавится в «Flash-реакторе». Жидкий шлак сливают в специальные шлакоприемники с огнеупорной выстойкой для предотвращения потерь тепла. Потом шлакоприемник манипулируют в опрокидывающийся блок, установленный близко к гранулятору. Подача жидкого шлака измеряется и контролируется тензометрическими датчиками. Расплав по желобу и вертикальной огнеупорной трубе поступает в центр гранулятора. После атомизации капли быстро остывают в полете к стенке, разбрасываемые вращающимся кубком. Поверхность частицы должна затвердеть за это короткое время полета перед падением в флюидизированный слой из гранулированных частиц.

Работа в Австралии (CSIRO)

Исследования CSIRO продемонстрировали в лабораторном и пилотном масштабах: сухая грануляция дает шлак, пригодный как цементозаменитель; тепло, выделяемое шлаком, можно захватить малым объемом воздуха — процесс пригоден для высокопотенциального тепловозврата. Проект направлен на дальнейшую разработку сухой грануляции с акцентом на захват отходящего тепла от охлаждения шлака и ноу-хау для масштабирования от пилота к промышленному масштабу. Часть вклада австралийской стальной отрасли в программу CO2 Breakthrough World Steel Association. Цель: разработать процесс сухой грануляции, дающий ценный шлак и позволяющий захват/возврат отходящего тепла, демонстрируя техно-экономические, энергетические и устойчивые преимущества в пилотном масштабе. Также — масштабирование и демонстрация через заводские испытания.

Концепция интегрированной сухой грануляции и тепловозврата успешно продемонстрирована на пилотной установке CSIRO. Процесс хорошо работает, обеспечивая плавную работу при переменных условиях и высоких скоростях слива шлака. Много испытаний с промышленными шлаками ДП, продукты собраны, охарактеризованы, оценены по цементирующим свойствам. Независимая лаборатория подтвердила: сухо гранулированные шлаки имеют хорошие цементирующие свойства, пригодны для производства цемента.

Техно-экономическая оценка показала: сухая грануляция шлака имеет значительные преимущества над мокрой по капитальным и операционным затратам. Посетили заводы для сбора данных о скоростях отливки и замерах температур шлака и чугуна на доменных печах OneSteel (Уайалла) и BlueScope Steel (Порт-Кембла). Данные оценены по внедрению сухой грануляции, результаты в отчете.

Продвинутое CFD-моделирование (вычислительная гидродинамика) сухой грануляции успешно выполнено. Собран CFD-модель теплопередачи и гидромеханики в процессе атомизации вращающимся диском, модель валидирована экспериментальными данными пилотной установки CSIRO. Разработан черновик бизнес-плана для последующих стадий.

Работа в Японии

Три отдельные схемы в разработке:

• Sumitomo Metals Industries: сухая грануляция шлака ДП, где поток шлака разрушается при ударе о вращающийся барабан. Частицы падают в флюидизированный слой с тепловозвратом. Цель — продукт для замещения речного песка и возврат ~55 % тепла расплавленного шлака потоком горячего воздуха.
• Mitsubishi Heavy Industries и Nippon Kokan KK: грануляция шлака конвертера (BOF) мощным воздухом, разрывающим струю шлака. Частицы затвердевают в полете, тепло возвращается радиацией от распыленных частиц и из флюидизированного слоя.
• Kawasaki Steel Corporation: восстановление тепла от шлака ДП. Грануляция механическим перемешиванием, тепловозврат радиацией и затем от гранулированных частиц во флюидизированном слое. Продукт — заполнитель для строительной отрасли.

Сухая грануляция с вращающимся кубково-воздушным атонимизатором

Сущность: атонимизация жидкого шлака и быстрое охлаждение частиц для получения стекловидного шлака. Атомизация — вращающимся кубково-воздушным атонимизатором. Частицы остывают в полете в воздухе и далее в флюидизированном слое. Оба процесса дают быстрое охлаждение для стекловидного продукта. Флюидизированный слой удобен для содержания частиц — предотвращает агломерацию горячих частиц и обеспечивает быстрое охлаждение.

Частицы со средним диаметром ~2 мм получаются атонимизатором — продукт удобен для манипулирования. Испытания показали: частицы остывают достаточно быстро для стекловидного содержания >95 %. Очень мало шлаковой шерсти.

Принцип вращающегося кубка на рис. 1.

Рис. 1 Принцип вращающегося кубкового атонимизатора

Преимущества вращающегося кубкового атонимизатора

• Тонкий контроль: размер частицы варьированием скорости кубка или расхода воздуха. Узкий диапазон размеров частиц. Проблема контакта вращающегося кубка с расплавленным шлаком решается конструкцией и выбором материалов.
• Мощность привода значительно меньше, чем у двухсрединного атонимизатора. Двухсрединный нуждается >20× мощности для атомизации до аналогичных размеров. Это может влиять на общую экономию тепловозврата до 5 %.
• Траектория частиц — наружу и вверх. Движение вверх позволяет использовать атонимизатор там, где ограничена высота между точкой подачи шлака и землей (на ДП шлак со сливного пола, обычно 7 м над землей).

Принцип работы

Кубок выплескивает тонкую пленку шлака, расширяющуюся радиально от края. Пленка сама распадается. Аннулярная воздушная струя вокруг кубка способствует разрушению, индуцируя нестабильные волны в пленке. Воздушная струя дает более мелкие частицы более равномерного размера и отклоняет их вверх, образуя конический распыл, движущийся от атонимизатора.

Тепловозврат

• По мере движения конуса частиц наружу тепло теряется радиацией на сосуд и конвекцией на воздух, проходящий через сосуд. Время полета ~0,1 с — падение температуры всего 100–200 °C.
• При ударе о стенку часть тепла передается стенке. Если стенку держат относительно холодной, частицы не липнут, а отскакивают или падают после очень короткого времени. Контакт <<0,1 с, снижение температуры ~150 °C.
• Дополнительные потери радиацией и конвекцией при падении частиц от стенки в первичный флюидизированный слой.
• Остаток тепловозврата в флюидизированных слоях: передача тепла флюидизирующему воздуху или дополнительным погруженным котельным трубам/поверхностям. В флюидизированном слое воздух и твердая фаза выходят при одной температуре с твердой фазой в слое. Температуру вторичного слоя выбирают тщательно: если частицы слишком горячие — теряется возвращаемое тепло; если слишком холодные — снижается полезность горячего флюидизирующего воздуха на выходе.

Экспериментальная работа

Начальная цель: изучить, дает ли атонимизация мелкие частицы и стекловидную структуру. Построили вращающийся кубковый атонимизатор с кубком 100 мм, диапазон скоростей 500–1500 об/мин. Расход шлака 0,2–0,5 кг/с. Испытания ограничены ~2,5 мин из-за ограниченной мощности лабораторной плавильной печи (~30 кг).

Первые испытания подтвердили: процесс работает; получены мелкие частицы с 95 % стекловидным содержанием. Дальнейшие испытания — изучение размеров частиц и траекторий распыления.

Энергетический баланс

Чувствительная теплота расплавленного шлака относительно 30 °C при выходе из ДП при 1500 °C — ~400 Мкал/кг. Из общего потока шлака ~14 % переливается через шлаконакопитель в отходы. Из оставшихся 86 % 32 % теплового содержания не может быть восстановлено из-за:

• Латентная теплота кристаллизации не выделяется при образовании стекловидного шлака
• Твердый продукт шлака выгружается из тепловозврата при 250 °C
• Потери тепла в шлаконакопителе

Таким образом, только 58,5 % чувствительной теплоты шлака, выходящего из ДП, может быть восстановлено.

Главный вызов и перспективы

Главная проблема — обеспечить быстрое застывание шлака для достижения точки трансформации очень быстро. Иначе затвердевший шлак не полностью стекловидный, а частично кристаллический — непригоден для цементной промышленности. Охлаждение воздухом гораздо сложнее из-за существенно меньшей теплоемкости по сравнению с водой в обычных грануляторах. Кроме того, воздух нагревается, проходя через взволнованный слой, ухудшая температурную разность.

Первые кампании дали перспективные результаты по стекловидному содержанию, гранулометрическому распределению, форме частиц. Зафиксирован значительный рост температуры отходящих газов. С полученными данными можно оптимизировать процесс и реализовать масштабирование для дальнейших исследований. Использование сухой грануляции на интегрированных сталелитейных заводах даст доступ к чувствительной теплоте шлака ДП. Восстановленную энергию можно использовать для производства пара или электроэнергии или для других полезных процессов предварительного нагрева. Энергетический потенциал: восстановление 20 МВт тепловой мощности или ~6 МВт электроэнергии от подачи шлака 1 т/мин. Без необходимости вышестоящей сушки шлака ДП экономятся энергия и, как следствие, CO₂. Итог: сухая грануляция шлака ДП позволяет экологически чистую и устойчивую последующую обработку одного из крупнейших потенциалов тепловозврата на современной доменной печи.