Эффективное производство железа в печи с вращающимся дном: прямое восстановление некоксующимся углем

Железосварение в печи с вращающимся дном

Железосварение в печи с вращающимся дном (ПВД) — процесс прямого восстановления, использующий некоксующийся уголь для восстановления железной руды. ПВД — процессный реактор, состоящий из плоского огнеупорного дна, вращающегося внутри стационарного кругового туннельного гильзового. Внутри ПВД происходит прямое восстановление железной руды или железносодержащих отходов с использованием угля как восстановителя.

ПВД — не новая технология. Успешно применялась в ряде промышленных приложений: термическая обработка, кальцинирование нефтяного кокса, утилизация отходов, высокотемпературное восстановление цветных металлов.

История железосварения в ПВД начинается с середины 1960-х с разработкой процесса «Heat Fast» компанией Midrex. С тех пор разработано несколько процессов на базе ПВД: «Fastmet»/«Fastmelt» и ITmk3, внедренные в коммерческую эксплуатацию. Описаны в отдельных статьях: Fastmet и Fastmelt, ITmk3. Другие процессы: «Redsmelt», «Inmetco», «Iron Dynamics», «DRyIron», «Comet», «SidComet», Hi-QIP.

Процесс Redsmelt

Технология Redsmelt разработана для удовлетворения растущего спроса на низкозатратную экологичную альтернативу традиционному доменному пути. Мощность завода 0,3–1,0 млн т/год горячего металла. Процесс обрабатывает широкий спектр мелкой руды и отходов сталеварения.

Redsmelt основан на ПВД, восстанавливающем зеленые пеллеты из мелкой руды, восстановителя и связующих для производства горячего металлизированного прямого восстановленного железа (ПВЖ), загружаемого в подплавочную печь (ППП). Процесс работает при высокой температуре и атмосферном давлении.

Железоокисное сырье — зеленые пеллеты из мелкой руды, восстановителя, связующих. Связующие дают механическую прочность для транспортировки. Пеллеты просеивают на роллерных ситах до 8–16 мм. Недосорт и пересорт возвращают на пеллетизаторы. Пеллеты распределяют по ПВД слоем до 30 кг/м². Проходя через печь 12–18 мин, пеллеты нагреваются до 1370 °C. Сушка, девольатилизация угля и восстановление оксидов железа происходят при нагреве. Интимный контакт оксида железа с углеродом при очень высокой температуре дает очень высокую скорость реакции. Для предотвращения повторного окисления металлизированного железа конечные зоны печи работают в субстехиометрической атмосфере. Горячее ПВЖ загружают в ППП для плавления в горячий металл и шлак.

Процесс Inmetco

Разработан International Nickel Corporation (INCO), Канада, в 1978 г. Назван «Inmetco» (Inco + met) для переработки металлургических отходов. Может также восстанавливать мелкую руду и комбинации руды с отходами.

Основан на ПВД, восстанавливающем брикеты из мелкой руды (<250 мкм), железносодержащих отходов и пульверизованного угля для производства горячего металлизированного ПВЖ, загружаемого в индукционную или дуговую печь. Работает при высокой температуре и легком вакууме.

Железосодержащее сырье — дисковые пеллеты из мелкой руды и мелкого угля/кокса/чара с <25 % летучих веществ. Распределяют по ПВД слоем ~3 пеллеты глубиной поворотным ленточным конвейером. Используют быстродействующее связующее для транспортировки без деградации. Дно вращается непрерывно, пеллеты нагревают горелки по периметру до 1250–1300 °C за 10–15 мин. Горелки сгруппированы в зоны нагрева (~1/3 площади) и восстановления (~2/3). Расположены на внутренней и внешней окружностях. Горячее ПВЖ собирают в азотопрогоняемых банках или прямым зарядом в электропечь. ПВД работает под легким вакуумом, уплотненный водяной пробкой.

Процесс Iron Dynamics (IDI)

Основан на ПВД, восстанавливающем углеродистое железоокисное сырье в металлическое железо, загружаемое в ППП для завершения восстановления, плавления и десульфуризации. Плавление ПВЖ позволяет фазовое разделение жидкого шлака и железа.

IDI состоит из пяти участков: (i) прием сырья, (ii) помол руды и восстановителя (угля), (iii) пеллетизация, (iv) восстановление в ПВД, (v) плавление в ППП. После приема руду сушат до влажности <0,5 % отходящим газом ПВД. Руду обогащают магнитными сепараторами и ситами для уменьшения пустой породы. Помол до 50 % минус 200 мейш. Уголь на пульверизаторы для 80 % минус 200 мейш. Помоленную руду и уголь интенсивно смешивают со связующими и водой в микшере, загружают на дисковые пеллетизаторы. Влажные пеллеты сушат до <1 % влажности и предварительно нагревают до 150 °C в кольцевом грохоте-сушилке. Зарядочное устройство укладывает сухие зеленые шары на дно печи слоями 25–40 мм. Природногазовый ПВД имеет восемь реакционных зон. Температура, газорасход и состав контролируются для создания нужных условий в каждой зоне для нагрева, восстановления и защиты пеллет. ПВЖ на выходе имеет ~85 % металлизацию. Добавки флюса, кокса, кремнезема и др. всыпают в транспортные ковши для контроля химизма шлака в ППП. Выхлопная газовая система удаляет тепло, пыль, SO₂, NOₓ. Послесжигатель сжигает остаточный CO в водоохлаждаемом газоводе. Газ охлаждают и удаляют NOₓ в первичном охладителе. Выхлопной газ используют для предварительного нагрева воздуха и тепла сушилок руды, угля, пеллет. После сушилки пеллет газ фильтруют и удаляют SOₓ перед выбросом в трубу. ПВЖ и добавки гравитационно попадают в шлаковый слой ППП для плавления. Средняя металлизация ~95,8 %. Шлак сливают в шлаговые ковши для переработки.

Процесс DRyIron

Разработан Maumee Research and Engineering Inc. (MR&E). Основан на ПВД, восстанавливающем зеленые пеллеты/брикеты из мелких железоокисных отходов и пульверизованного не металлургического угля для производства горячего металлизированного ПВЖ (>90 %). Работает при высокой температуре и атмосферном давлении, с коротким временем пребывания, также для утилизации железносодержащих отходов.

Железоокисное сырье — зеленые пеллеты/брикеты из мелких оксидов железа и угля/кокса, исключающие предсушку. При идеальных высокотемпературных (~1300 °C) условиях оксид железа реагирует с фиксированным углеродом, образуя металлическое железо в брикете с выделением CO₂. Теоретическое соотношение фиксированный углерод/оксид железа = 1,5:1.

DRyIron сформулирован для производства металлического железа при углерод/оксид = 6:1, что дает выделение CO и CO₂ и остаточный углерод ~4 %. Ключ — контроль соотношения CO/CO₂ для минимизации повторного окисления, потребления углерода и времени пребывания. Пеллеты нагреваются до 1300 °C. Сушка, девольатилизация, восстановление происходят при нагреве. Интимный контакт оксида с углеродом при высокой температуре дает высокую скорость реакции. Горячее ПВЖ можно поставлять в сталеплавный цех разными способами.

Процессы Comet и SidComet

Comet, разработанный Centre de Recherches Metallurgiques (CRM), Бельгия — угольная система производства губчатого железа из мелкой руды и известняка в ПВД. Производит ПВЖ с низким содержанием пустой породы и серы. Лабораторные тесты показали выполнимость и гибкость: можно работать с любым углем или твердым восстановителем (включая лигнит и коксовую крошку), хорошо подходит для утилизации металлургических отходов. Лабораторная установка 100 кг/ч запущена нояб. 1996. На основе успехов построена пилотная 1,5 т/ч в Sidmar, Гент, Бельгия. Результаты металлизации подтвердили лабораторные. Производительность, затраты, цена, энергопотребление, экологическое воздействие определены.

В Comet руда и уголь не смешивают и не пеллетизируют, а загружают чередующимися слоями на дне. Известняк добавляют для контроля серы в угле. Температура в зоне восстановления ~1300 °C. Горят природный газ, коксовой газ, пульверизованный уголь. Послесжигание летучих и CO от реакции также дает тепло. Слои ПВЖ проходят спекание из-за высокой температуры. Излишки чара остаются порошкообразными и легко отделяются ситом. Выхлопной газ проходит послесжигание снаружи печи, тепло используют для нагрева процессного воздуха и сырья. Из-за большей нагрузки на дно время процесса обычно значительно больше, чем у процессов с композитными пеллетами.

SidComet похож на Comet. Разница: руда и уголь загружают как смесь. Время пребывания аналогично Comet. Из-за большего времени производительность обычно ниже, чем у пеллетных процессов.

Процесс Hi-QIP

На основе концепций: (i) процесс не требует природного газа или коксующегося угля как восстановителя; (ii) железный продукт свободен от пустой породы; (iii) оборудование максимально простое; (iv) система рекуперации тепла минимальна — разработан новый процесс Hi-QIP (High-Quality Iron Pebble). Угольный процесс для производства качественного железа. Похож на ITmk3 — позволяет плавить восстановленное железо в ПВД. Допускает флуктуации смешения сырья. Разработка на стадии пилотного завода.

Два отличительных признака Hi-QIP: (i) слой углеродистого материала на вращающемся дне; (ii) плавление восстановленного железа в печи. Главный реактор — ПВД. Крупнозернистая или мелкозернистая руда, уголь, известняк — сырье. Крупные куски не рассматриваются. Углеродистый материал (уголь) укладывают на дно, валик формирует небольшие чашечкообразные углубления. Руду, уголь, известняк смешивают и заряжают на слой углеродистого материала, нагревают горелками. Руда восстанавливается и плавится, уголь в сырой слой газифицируется и выступает восстановителем. Известняк плавится и образует шлак с пустой породой и золой. Железо и шлак текут в углубления, где твердеют от охладителя, образуя гранулы. Железные и шлаковые гранулы выгружают винтовым устройством.

Общие основные черты железосварения в ПВД

Общий технологический процесс железосварения в ПВД показан на рис. 6.

Восстановление железорудных/угольных агломератов в ПВД — коксосвободный, экологически чистый процесс. Однако производительность и энергоэффективность низки из-за малой высоты слоя, низких температур реакций и недостаточного углеродистого добавки в пеллетах. Кинетика восстановления оксида железа в агломератах высокочувствительна к температуре, так как включает сильно эндотермические реакции. С другой стороны, более высокая температура способствует повторному окислению свежего ПВЖ CO₂ и/или O₂. В текущей практике ПВД высота слоя агломератов невелика — 2–3 пеллеты, твердый восстановитель с низким содержанием летучих. Поток газов, защищающих пеллеты от повторного окисления, слабый и неустойчивый. Поддержание соотношения CO/CO₂ > 2 дает очень низкую топливную эффективность, а низкая температура процесса ограничивает производительность.

Успешное использование технологии ПВД для прямого восстановления железносодержащих материалов зависит от правильного применения процессной технологии через надлежащую процессную инженерию. Если ПВД правильно интегрирован в общий процесс и технология прямого восстановления применена корректно, результат — энергоэффективная, экологичная, экономичная система производства качественного альтернативного железа.

Концепция угольного прямого восстановления с ПВД проста. Однако коммерческая реализация не достигнута легко.

Основные реакции в ПВД:

FeₓOᵧ + y C = x Fe + y CO
FeₓOᵧ + y CO = x Fe + y CO₂
C + O₂ = CO₂
C + CO₂ = 2 CO

В ПВД 3–4 основные зоны: (i) зона предварительного нагрева, (ii) главная зона восстановления, (iii) зона финального восстановления, (iv) зона охлаждения. Атмосфера печи контролируется для удовлетворения тепловых и металлургических требований с контролем соотношения топливо/кислород. В зоне предварительного нагрева требуется более высокий кислородный потенциал для извлечения макс. химической энергии топлива, сгорающего в этой зоне. Удаление влаги и летучих веществ также здесь. Две зоны восстановления имеют гораздо более низкий кислородный потенциал, предотвращающий повторное окисление восстановленных пеллет. В зонах восстановления оксиды железа и некоторые примесные оксиды восстанавливаются до металлов. В зоне охлаждения ПВЖ охлаждают ниже 300 °C перед выгрузкой.

Помимо горения топлива, есть другие источники тепла в ПВД. Послесжигание CO, образующегося при восстановлении, снижает энергопотребность. Иногда вводят вторичный воздух для послесжигания выхлопных газов. Сгорание летучих веществ также выделяет тепло. Небольшое количество тепла выделяется при сгорании углерода в пеллетах/брикетах.

Некоксующийся уголь и иногда низкокачественные углеродистые материалы, включая пластиковые отходы, можно использовать в ПВД как восстановитель. Использование этих низкокачественных восстановителей позволяет производить металлическое железо восстановлением оксида железа. Однако % летучих веществ в углеродистом восстановителе критично для использования в ПВД. Быстрое выделение газа увеличивает внутреннее давление, что может привести к разрушению пеллет/брикетов. Этого можно избежать, сохраняя высокий % кусков в продукте ПВЖ.

Скорость вращения дна должна управляться внешне. Зависит от реакционной способности сырья. Нормальная практика — обеспечить время пребывания, достаточное для достижения пеллетами/брикетами высокой степени металлизации.

ПВД обычно работает при небольшом вакууме для предотвращения утечки печного газа во внешнюю среду, уплотнение водяными пробками.

Обычно выгодно использовать чувствительное тепло горячего ПВЖ горячей зарядкой в плавку. При задержке плавки обычная практика — превращать ПВЖ в горячебрикетированное железо (ГБЖ) для минимизации повторного окисления за счет уменьшения доступной площади поверхности.

Перенос тепла к нижним слоям — серьезный недостаток ПВД, особенно при многослойном слое пеллет вместо однослойного для повышения производительности. Усадка композитных пеллет/брикетов облегчает перенос тепла от верхнего слоя к нижнему. Усадка происходит под действием химических реакций и спекания оксидов железа. Это усиливает кинетику реакций нижних слоев. Зависит от температуры и времени. Исследования усадки показывают: композитные пеллеты/брикеты на древесном угле имеют лучшее поведение усадки, чем на коксовом чаре и графите.

Выхлопной газ ПВД обычно проходит полное послесжигание доп. воздухом. Энергия используется: (i) для предварительного нагрева горячего воздуха, (ii) сушки сырья, (iii) генерации пара в утилизационных котлах.

Пыль выхлопных газов собирается в мешковых фильтрах. Пыль содержит высокий % летучих металлов (цинк, кадмий) преимущественно из-за переработки отходов.