Tecnored: инновационный бескоксовый процесс железосварения

Процесс Tecnored для железосварения

Процесс Tecnored разработан бразильской компанией «Tecnored Desenvolvimento Tecnológico S.A.» и основан на низкодавлении движущейся слое восстановительной печи, которая восстанавливает холодносвязанные, углеродистые, самофлюсирующие и самовосстанавливающиеся пеллеты. Восстановление проводится в низкой шахтной печи особой конструкции при типичных температурах восстановления. Процесс производит горячий металл (жидкое железо).

Технология Tecnored зачинена и разработана как «бескоксовый» процесс железосварения, избегая инвестиций и эксплуатации экологически вредных коксовых батарей и значительно снижая выбросы парниковых газов при производстве горячего металла.

Процесс использует комбинацию горячего и холодного дутья и не требует дополнительного кислорода. Исключает необходимость в коксовых, агломерационных и тоннажных кислородных заводах. Следовательно, процесс имеет гораздо более низкие операционные и инвестиционные затраты, чем традиционные пути железосварения.

Процесс гибок по типу железоносных и углеродоносных сырьевых материалов. Способность плавить пеллеты, брикеты или смешанные заряды дает возможность использовать широкий спектр альтернативных сырьевых материалов. Процесс обладает хорошей производительностью и высокой энергоэффективностью.

Также заявляется, что процесс подходит для производства ферросплавов, например ферромарганца.

История разработки

История разработки процесса Tecnored включает разные фазы с разными целями, тестируя широкий спектр сырья и используя различные размеры и концепции реактора.

В 1979–1985 гг. работы велись по использованию самовосстанавливающихся пеллет из пиритового шлака как металлической зарядки в купельных печах. Концепция самовосстановления адаптирована для нового процесса. В 1985 г. сформулирована концепция печи Tecnored с боковыми загрузчиками твердого топлива и послесжиганием в верхней шахте как двумя главными особенностями. В 1985 г. началась сборка первого прототипа в Жойвиле (штат Санта-Катарина, Бразилия) для опытного испытания процесса восстановления в пилотном масштабе.

В 1985–1990 гг. разработка в малой круговой печи 400 мм диаметром для демонстрации выполнимости концепции и установки первых операционных и геометрических параметров. Достигли хорошей непрерывной зарядки и слива (до 24 ч непрерывных плавок), подтвердивших адекватность концепции. Несмотря на экспрессивные результаты, потребовалось лучшее фундаментальное понимание для следующих шагов. Поэтому для проектирования и строительства более крупной пилотной печи построили комплексную математическую модель поведения самовосстанавливающейся пеллеты в печи Tecnored.

В 1990–1993 гг. разработка в большей круговой печи 600 мм диаметра для достижения более длительных кампаний, высшей операционной стабильности, геометрических и операционных корректировок на основе моделирования и более высокого выхода послесжигания. Результаты: длительные периоды плавной стабильной работы, контроль скорости зарядки, контроль процедуры слива шлака и горячего металла, улучшение гидродинамики, детальная оценка теплового и газового профилей внутри печи. Однако печь 600 мм достигла предела для экспериментальной разработки, и после 3 лет экспериментов решили продолжить в новой пилотной печи 1000 мм диаметра. Математическое моделирование также показало, что для более высокой производительности и поддержания подходящего дьюйного пространства и пламени в печи Tecnored геометрию печи нужно изменить с круговой на прямоугольное сечение.

В 1994–1995 гг. разработка в круговой печи 1000 мм для подтверждения параметров в большой печи и проверки растущего ограничения круговых печей, предсказанного моделированием. Результаты: высокая операционная стабильность, хороший контроль печи, длительная кампания, хорошее качество горячего металла и шлака. Печь 1000 мм подтвердила предсказание модели, что размер печи не может расти при круговом сечении, открыв путь к модульной концепции: с прямоугольной печью можно увеличивать производительность добавлением модулей при фиксированном сечении. Решено построить полноразмерный модульный срез печи Tecnored прямоугольного сечения.

В 1996 г. тестирование новой концепции на малой пилотной печи с одной дьюй. Операционные результаты подтвердили адекватность новой концепции железосварения на базе самовосстанавливающихся агломератов. На основе результатов построена полноразмерная модульная срез пилотной печи Tecnored.

В 1997–2000 гг. процедуры снижения рисков и тесты, поддерживающие проектирование промышленной печи с полноразмерным срезом. На основе нового прямоугольного дизайна модульность печи была использована успешным строительством и тестированием предварительной ячеистой печи. В этой фазе проводились непрерывные тестовые запуски в недельных кампаниях в полноразмерном модульном срезе — более 100 отдельных тестов, суммарно 1000 часов работы. Произведено более 1000 т высококачественного горячего металла. Качество аналогично доменному горячему металлу. Успешное завершение пилотного этапа открыло путь к строительству промышленных объектов для заводов по производству первичных железных единиц и переработки горно-сталелитейных отходов.

В ходе работы пилотной печи Tecnored доказала себя как новый и очень полезный метод разработки металлургического процесса, а фундаментальные проектные параметры для первой промышленной установки были определены в ходе пилотных тестов. Тесты помогли разработать проект промышленной демонстрационной установки (ИДУ) мощностью 75 000 т/год.

ИДУ расположена в муниципалитете Пиндамонангаба, штат Сан-Паулу, Бразилия. В 2008–2009 гг. строительство завершено, получены лицензии. К 2011 г. завершены модификации периферийных устройств и аксессуаров печи, начат проект разработки сырья, запуск печи. В 2012 г. началась работа печи, а также دراسات выполнимости для постройки более крупного завода 300 000 т/год в Караджас, штат Пара, Бразилия.

Процесс Tecnored

Процесс Tecnored — новый подход к технологии железосварения, использующий холодносвязанные самовосстанавливающиеся агломераты (пеллеты или брикеты), произведенные из мелкой железной руды или железносодержащих остатков, плюс мелкий петкокс, уголь, древесный уголь или углеродоносные остатки. Эти материалы, смешанные с флюсирующими и связующими агентами, агломерируют и сушат на сушилке, получая брикеты/пеллеты с достаточной прочностью для физических и металлургических требований процесса. Агломераты плавят в шахтной печи высокой эффективности и уникальной конструкции — печи Tecnored. Благодаря низкой высоте шахты печь использует дешевые твердые топлива: зеленый петкокс, уголь или полукоксы.

Главная особенность — использование относительно дешевых материалов: мелких железных руд или остаточных оксидов и угля/древесного угля (или петкокса) как восстановителя/топлива. Печь Tecnored — сердце процесса.

Схема процесса на рис. 1.

Процесс состоит в пеллетизации мелкой руды (<140 мейш), коксовой крошки (<200 мейш) и флюса (гашеной извести <140 мейш) с цементом как связующим. Пеллеты выдерживают и сушат при 200 °C перед загрузкой в верх печи. Внутреннее давление печи поддерживают 0,25–0,37 кгс/см². Общее время пребывания зарядки ~30–40 мин. Твердое топливо 40–80 мм загружают в печь ниже зоны горячих пеллет через боковые загрузчики. Горячее дутье ~1150 °C подают через дьюй в стенке печи для сгорания кокса. Небольшое количество печного газа пропускают через боковые загрузчики для сушки и предварительного нагрева твердого топлива. Холодное дутье подают выше для продвижения послесжигания CO в верхней шахте. При высокосернистом твердом топливе нужна сложная газоочистка для экологических норм. Горячий металл сливают в ковш на ковшованге, который может наклоняться для дешлакивания. Жидкое железо десульфуризуют в ковше, шлак сгребают в шлаговый ковш.

Печь имеет три зоны: (i) верхняя шахта, (ii) зона плавления, (iii) нижняя шахта.

Верхняя шахта

Твердое топливо заряжают в верхнюю шахту. Реакция Будуара (CO₂ + C = 2 CO) на топливе предотвращается, экономя энергию. Послесжигание в этой зоне сжигает CO, давая энергию для предварительного нагрева и восстановления зарядки. Внутри пеллет идут реакции с очень высокой скоростью:

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
yCO₂ + yC = 2yCO

Зона плавления

Повторное окисление предотвращается восстановительной атмосферой в зарядке. Плавление зарядки происходит в восстановительной атмосфере.

Нижняя шахта

Низкокачественное твердое топливо заряжают в нижнюю шахту. Может включать пластиковые отходы и 사용анные шины из-за низкой высоты шахты. Здесь происходят остаточное восстановление остаточных оксидов железа и шлакообразование от пустой породы и золы топлива в жидком состоянии. Также перегрев капель металла и шлака. Эти перегретые капли оседают под действием гравитации в подпечь и накапливаются там.

Процесс использует два разных входа углеродных единиц: (i) восстановитель, (ii) твердое топливо, оптимизируя гибкость. Восстановитель — обычно угольная крошка, но практически любую мелкодисперсную углеродосодержащую материю. Добавляют в смесь для самовосстанавливающихся агломератов. Количество угольной крошки устанавливается по соотношению C/F (углерод/мелкая руда), обычно достаточно для полного восстановления зарядки, просто обеспечивая нужное тепло. При самовосстановлении внешний CO не играет значимой роли в восстановлении.

Крупное твердое топливо заряжают через боковые загрузчики (чтобы избежать эндотермической реакции растворительной потери Будуара в верхней шахте) и отвечает за формирование угольного слоя и обеспечение большей части энергии процесса. Энергия образуется первичным дутьем (C + O₂ = CO₂) и вторичным дутьем, где восходящий CO, образующийся при газификации твердого топлива в подпечи, сжигается (CO + ½O₂ = CO₂). На рис. 2 схема поперечного сечения печи Tecnored с выделением этих двух важных особенностей.

Поскольку конечная функция двух углеродных единиц в процессе Tecnored различна, существуют отдельные спецификации для них не только по химическому составу, но и по размеру. Твердое топливо требует кусковых материалов 40–80 мм, способных выдерживать физические и тепловые нагрузки в печи.

Кусковое топливо в печи Tecnored должно создавать проницаемость в подпечи для равномерного течения жидкой и газовой фаз. Поэтому твердое топливо, выбранное для процесса, в конечной точке бокового загрузчика, после процесса очернения (рис. 3), должно давать кусковое очернелое скелет, достаточно прочный для поддержки нагрузки зарядки, с хорошей реакционной способностью для подходящего RAFT (адиабатической температуры пламени в дьюйном пространстве) и геометрии пламени. Также должно создавать нужное соотношение CO/CO₂ на вершине угольного слоя.

Однако важно отметить, что механическая нагрузка на угольный слой крайне мала из-за высокой объемной производительности печи, приводящей к меньшей высоте шахты. Эта особенность — одна из главных причин, объясняющих способность печи работать без кокса и использовать низкокачественные твердые топлива.

Удельные расходы топлив на тонну горячего металла: 250 кг угля и 310 кг твердого топлива для производства горячего металла с 3–4,5 % C и 0,2–1,0 % Si. Температура горячего металла обычно 1380–1430 °C.