Процесс Energiron HYL: передовое прямое восстановление железной руды в высококачественное ПВЖ

Процесс HYL для прямого восстановления железной руды

Процесс HYL предназначен для превращения железной руды (пеллеты/кусковая руда) в металлическое железо с использованием восстановительных газов в реакторе движущегося слоя твердое тело-газ. Кислород (O₂) удаляется из железной руды химическими реакциями на основе водорода (H₂) и угарного газа (CO) для производства высокометаллизированного прямого восстановленного железа (ПВЖ)/горячебрикетированного железа (ГБЖ). Процесс HYL сейчас продается под торговой маркой «Energiron».

Процесс HYL — результат исследовательских усилий, начатых Hojalata y L.mina, S.A. (позже Hylsa) в начале 1950-х. После первичной оценки концепции решили установить установку с туннельной печью и провели несколько запусков. Первая партия получена 5 июля 1950 г. в старой печи (построенной для нагрева листа). Смешали 1 часть дробленой руды 12–25 мм с 40 % коксовой крошки и 15 % известняка той же гранулометрии. Смесь загрузили в глиняные тигли и в 2 стальные трубы по 100 мм диаметром и 1 м длины. Получили 20 кг качественного ПВЖ.

Первая газовая установка (расчетная мощность 50 т/сут) не достигла приемлемой металлизации. За 18 месяцев эксплуатации претерпела изменения, включая установку парового реформера природного газа для улучшения восстановительного газа. В ранние 1955 г. работа приостановлена. После неудачи провели эксперименты и собрали пилотную установку для проверки новых идей. При запуске начала успешно производить качественное восстановленное железо 30 т/сут, быстро достигнув системного производства почти 60 т/сут.

История развития

С успешным производством ПВЖ газовым процессом HYL начались исследования для проектирования первого коммерческого завода мощностью 230 т/сут ПВЖ. Первый промышленный завод введен в эксплуатацию 5 декабря 1957 г. Завод Hylsa Monterrey 1-M, реактор фиксированного слоя (периодический процесс), начальная мощность 75 000 т/год ПВЖ. Работал непрерывно до 1991 г. — почти 35 лет. В 1978 г. Американское общество металлов признало завод Hylsa 1-M исторической вехой как первое успешное промышленное внедрение технологии прямого восстановления железа. Однако конкурентоспособность была ограничена пакетной природой процесса.

К концу 1970 г. мировой выпуск ПВЖ за 1970 г. составил 790 000 т, из них 680 000 т — процессами HYL. Но HYL предвидели ограничение конкурентоспособности из-за пакетности. В 1967 г. начата НИОКР для разработки непрерывного (движущегося слоя) процесса, первый промышленный запуск — май 1980 г. в Hylsa Monterrey, Мексика, через 23 года после первого успеха. Новый непрерывный шахтный процесс назван HYL III. Новая концепция дала более высокую производительность, лучшее качество ПВЖ, сниженное энергопотребление и упрощенную эксплуатацию.

Название HYL III — третье поколение технологии HYL. Второе (HYL II) — модификация оригинального процесса фиксированного слоя для повышения эффективности и снижения потребления природного газа. На этом этапе две важные модификации: (i) применение высокотемпературных السبائковых труб в печи перегрева восстановительного газа, позволившее нагревать газ до более высокой температуры; (ii) сокращение числа печей перегрева с четырех до двух. В HYL II восстановительный газ (богатый CO и H₂) генерировали обычно никелевым каталитическим реформированием. Но HYL II не был коммерциализирован, так как HYL III предложил значительные преимущества.

С тех пор в процесс HYL III внесено несколько улучшений. В 1986 г. в контур восстановительного газа внедрили систему удаления CO₂, что дало значительные улучшения производительности, энергопотребления и качества ПВЖ. Расход реформированного газа снижен ~на 50 %, производительность шахтной печи увеличена ~на 50 %.

В 1995 г. вошли частичную сжигание технологию в установки HYL инъекцией O₂ на переходной линии между печью перегрева восстановительного газа и входом шахтной печи. Схема позволила важное повышение температуры восстановительного газа и in-situ реформирование. Расход реформированного газа снижен ~на 25 %, производительность шахтной печи повышена. В 1988 г. полная подача природного газа и инъекция O₂ в шахтную печь (реактор восстановления) привели к «схеме HYL самореформирования», где приготовка реформированного газа снижена до нуля. Эта схема без реформера названа HYL ZR и успешно применена в Hylsa 4M (апрель 1998) и Hylsa 3M5 (июль 2001).

Покрытие пеллет/кусковой руды для прямого восстановления внедрено в 1988 г. Пневмотранспортная система (технология Hytemp) и подача горячего ПВЖ в ДПА — 1993 г. В 1994 г. HYL начал производить высокоуглеродистое ПВЖ с 3–5 % C. Первый в мире двухвыходной завод (ПВЖ и ГБЖ) введен в 1997 г.

Успешное использование 100 % кусковой руды на регулярной основе — 2000 г. В 2001 г. введен микромодуль (200 000 т/год) на технологии HYL ZR (нулевой реформер). Заводы HYL ZR на угазифке угля и коксовом газе (COG). Также поставлен завод мощностью 2,5 млн т/год в одном модуле. Между микромодулем и 2,5 млн т/год доступны модули 500 000, 800 000, 1,2 млн, 1,6 млн т/год.

Начальная разработка — Hylsa. В 1977 г. Hylsa создала новое операционное подразделение (HYL technologies) для формальной разработки и коммерциализации технологий прямого восстановления. В 2005 г. Techint Technologies приобрела HYL technologies. Позже подразделение переименовали в Tenova HYL. В 2006 г. стратегический альянс Tenova и Danieli для проектирования и строительства газовых заводов прямого восстановления под маркой «Energiron». Energiron — инновационная технология HYL совместной разработки Tenova и Danieli, название от уникального продукта ПВЖ, отличающего эту технологию от других.

Завод и оборудование

Завод прямого восстановления HYL состоит из:

• Восстановительная шахтная печь с движущимся слоем. Система зарядки железного сырья и система разгрузки продукта.
• Контур восстановительного газа: печь перегрева процесса газа, рекуператор тепла верхнего газа, блок охлаждения/очистки верхнего газа, компрессор рециркуляции восстановительного газа, увлажняющая башня и сепараторы конденсата.
• Эксплуатация с минимальным потреблением природного газа и воды, а также инъекцией O₂.
• Система разгрузки продукта может иметь: (i) охладитель для холодного ПВЖ, (ii) горячебрикетирующую машину для ГБЖ, (iii) пневмотранспортную систему Hytemp для передачи горячего ПВЖ прямо из шахтной печи в дуговую печь (ДПА).
• Внешний контур охлаждающего газа: блок охлаждения/очистки и компрессор рециркуляции охлаждающего газа.
• Система адсорбции на базе PSA (перекачка с переменным давлением) для удаления CO₂ из потока восстановительного газа.
• Оборудование для руды: бункер-аккумулятор, транспортеры, грохот, система покрытия пеллет, питательный конвейер, пробоотбор и взвешивание.
• Система транспорта ПВЖ: конвейеры и сопутствующее оборудование для холодного ПВЖ.
• Охлаждающая башня с фильтрами и насосами.
• Система процессной воды замкнутым циклом для минимизации водопотребления, сklärifier и осадочные пруды.
• Система управления и приборостроения на базе микропроцессорной распределенной системы управления.
• Электроподстанция, электродвигатели, освещение.
• Инертная газовая система (обычно азота N₂).
• Воздушный компрессор.

Описание процесса

Процесс прямого восстановления Energiron (процесс HYL) использует шахтную восстановительную печь для производства ПВЖ. Проектан для превращения железной руды/пеллет в металлическое железо восстановительными газами в шахтной печи движущегося слоя твердое тело-газ. O₂ удаляется из руды реакциями на основе H₂ и CO для высокометаллизированного ПВЖ.

Схемотехнологический поток процесса на рис. 1.

Основные характеристики процесса HYL: (i) использование H₂-богатых восстановительных газов с отношением H₂/CO > 4; (ii) высокая температура восстановления обычно > 930 °C; (iii) высокое рабочее давление обычно 5–8 кгс/см². Высокое давление дает: (i) более низкую скорость газа, (ii) меньшую силу увлечения, (iii) меньше переноса пыли, (iv) меньше потерь железоносных материалов, (v) более высокое соотношение мощность/размер установки, (vi) меньшее потребление энергии из-за меньшего коэффициента сжатия. Высокое давление в шахтной печи также дает высокую производительность ~9 т/ч на м² площади.

Процесс гибок для производства трех форм продукта в зависимости от требований: холодное ПВЖ, ГБЖ или горячее ПВЖ («Hytemp»). Холодное ПВЖ — для соседнего сталеплавного цеха. Может экспортироваться с предосторожностями против повторного окисления. ГБЖ — горячее ПВЖ, брикетированное и охлажденное. Торговый продукт для экспорта. Hytemp — горячее ПВЖ, пневматически транспортируемое из завода ПВ в соседний сталеплавный цех для прямой зарядки в ДПА. Варианты разгрузки и схема Hytemp на рис. 2.

Базовая конфигурация характеризуется гибкостью к разному анализу газа. Восстановительные газы могут генерироваться: (i) напрямую, in-situ реформированием природного газа внутри шахтной печи; (ii) во внешнем паровом реформере природного газа; (iii) как сингаз от угазификации ископаемого топлива, биомассы и т.д.; (iv) из выхлопного газа процесса расплавления-восстановления типа Corex; (v) из коксового газа (COG). Во всех случаях конфигурация соответствует той же базовой схеме нулевого реформера, подгоняя относительные размеры оборудования под конкретное применение. Для in-situ и парового реформирования анализ природного газа (тяжелые углеводороды) не является ограничивающим. «Приправочный» газ может быть любой смесью H₂, CO, CO₂ и углеводородов в любой пропорции.

Встроенная характеристика потока Energiron с высокой экологической значимостью — селективное устранение побочных продуктов восстановления: воды (H₂O) и CO₂. Они удаляются через очистку верхнего газа и систему удаления CO₂ соответственно. Селективное удаление H₂O и CO₂ оптимизирует потребности в приправочном газе. Вода, образующаяся при восстановлении, конденсируется и удаляется из газового потока, большая часть пыли также отделяется. Очищенный газ проходит через компрессор рециркуляции, где повышается давление. Сжатый газ, проходя через блок удаления CO₂, смешивается с приправочным природным газом, замыкая контур восстановительного газа.

Ключевой фактор HYL — прессовированная эксплуатация. Использование O₂ зависит от содержания углеводородов. Металлизация и C в ПВЖ контролируются независимо.

Три типа химических реакций в процессе:

Частичное окисление и реформирование:

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂
CH₄ + H₂O = CO + 3H₂
2H₂ + O₂ = 2H₂O
CO₂ + H₂ = CO + H₂O

Реакции восстановления:

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Закарбуризационные реакции:

3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂
3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂
3Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

Реформирование природного газа требует: (i) определенного уровня окислителей (H₂O и CO₂), которые должны тщательно контролироваться; (ii) высокой температуры в результате частичного сгорания; (iii) активного катализатора, которым служит металлическое железо из уже восстановленной руды. Окислители, образующиеся при восстановлении, частично потребляются реакциями реформирования. Таким образом, однажды в контакте с твердым материалом внутри шахтной печи, дальнейшее реформирование метана происходит in-situ за счет каталитического действия металлического железа (Fe). При этих условиях метан всегда контактирует с новым катализатором (металлическим Fe в ПВЖ), так как ПВЖ непрерывно удаляется из печи. Поэтому in-situ генерация восстановительного газа и восстановление происходят в высокоэффективной среде. Этот процесс реформирования сильно эндотермичен и продолжается до момента, когда температура все еще достаточно высока. Как только температура падает ниже определенного уровня, in-situ реформирование прекращается и идет только восстановление руды. Большая часть закарбуризации ПВЖ происходит трещинением метана (CH₄) с образованием карбида железа (Fe₃C).

Процесс Energiron ZR уменьшил размеры и повысил эффективность заводов HYL. Восстановительные газы генерируются in-situ в шахтной печи восстановления, подавая природный газ как приправочный в контур восстановительного газа и инъецируя O₂ на входе шахтной печи. В процессе достигается оптимальная эффективность восстановления, так как восстановительные газы генерируются в зоне восстановления. Поэтому внешний реформер восстановительного газа не нужен. Обычно общая энергоэффективность ZR процесса выше 80 %, оптимизируемая in-situ реформированием внутри шахтной печи. Продукт забирает большую часть энергии, затраченной на процесс, с минимальными потерями в атмосферу.

Влияние на размеры завода от исключения внешнего газового реформера значительно. Для мощности 1 млн т/год площадь сокращается ~на 60 %. Это также облегчает размещение завода ПВ рядом со сталеплавным цехом.

Дополнительное преимущество ZR — гибкость закарбуризации ПВЖ, позволяющая достигать C до 5 %. Благодаря улучшенному закарбуризационному потенциалу газов внутри шахты, позволяющему производить преимущественно Fe₃C. ПВЖ с высоким содержанием Fe₃C имеет гораздо более низкую реакционную способность, чем обычное ПВЖ, так как для диссоциации Fe₃C требуется более высокая теплота.

Процесс Energiron может также использовать конвенциональное паровое реформирование природного газа, характеризовавшее HYL долгое время. Другие газы: H₂, сингаз от угазификации угля, петкокса и подобных ископаемых, коксовой газ (COG) и др. — также возможны источники восстановительного газа в зависимости от ситуации и доступности. Эта гибкость доступна, так как Energiron ZR независим от источника восстановительного газа, без необходимости рециркуляции газов обратно в реформер для завершения химического цикла.

Горячие восстановительные газы подают в шахтную печь в зоне восстановления. Газы текут вверх против тока движущемуся слою железного сырья. Распределение газа равномерное, высокая степень прямого контакта газ-твердое тело. Выхлопной газ (верхний газ) выходит из шахтной печи ~400 °C и проходит через рекуператор тепла верхнего газа, где тепло газа восстанавливают для производства пара. Альтернативно, тепло выхлопного газа используют для предварительного нагрева потока восстановительного газа, затем выхлопной газ охлаждают через охлаждение/очистку.

Для холодного ПВЖ охлаждающий газ подают в нижнюю коническую часть шахтной печи ~40 °C, текущий вверх против тока движущемуся слою ПВЖ. Распределение равномерное, высокий прямой контакт газ-твердое тело без физических ограничений течения твердого или газа внутри печи.

Горячее ПВЖ разгружается ротационным клапаном шахтной печи через распределительный клапан, который направляет материал либо в систему Hytemp, либо во внешний охладитель (для холодного ПВЖ). Пневмотранспорт обычно осуществляется с той же скоростью, что и производительность шахтной печи.

Для производства ГБЖ горячее ПВЖ непрерывно разгружают при температуре >700 °C в горячебрикетирующие машины ниже. ГБЖ охлаждают в вибрационных охлаждающих конвейерах водой и сбрасывают на транспортный конвейер ГБЖ.

Система Hytemp использует пневматическую систему для транспорта горячего ПВЖ в ДПА. Использует азот (N₂) или процессный газ как транспортный газ. Экологически чистый процесс, так как ПВЖ изолирован от среды от разгрузки из шахтной печи до зарядки в ДПА. Система гибка для питания двух ДПА от одной шахтной печи. У дна шахтной печи ПВЖ разгружается в пневмотранспортную систему, где горячий газовой поток из печи перегрева циркулирует и используется для транспорта ПВЖ. Для избежания деградации ПВЖ транспортируют нагнетанием давления, а не скоростью газа. Когда горячее ПВЖ достигает бункеров хранения на вершине ДПА, ПВЖ и газы разделяют. Газ идет в скруббер для очистки и охлаждения. Затем сжимают и нагревают для рециркуляции. Перед входом в печь перегрева добавляют приправочный газ для компенсации потерь при разделении ПВЖ от транспортного газа. Горячее ПВЖ, отделенное от транспортного газа, идет в переходный бункер для перехода от давления транспортной системы к атмосферному. Из переходного бункера ПВЖ попадает в бункер хранения для гравитационной зарядки в ДПА. Горячее ПВЖ также можно направить из шахтной печи во внешний охладитель, когда сталеплавный цех не готов использовать или хранить горячее ПВЖ. Внешний охладитель обычно имеет мощность охлаждения всего производства ПВЖ.

В типичной конфигурации HYL III чувствительное тепло горячего реформированного газа и дымовых газов от реформера используют преимущественно для генерации пара. Паровые потребности завода ПВ для двух потребителей: (i) пар для реформирования, (ii) выхлопной пар для системы абсорбции CO₂ в контуре восстановления. Количество и давление пара специфицируются для достижения оптимального теплового и механического баланса завода. Обычно пар производят при высоком давлении (63 кгс/см²) для максимального использования энтальпии пара для генерации электроэнергии в высокоэффективном турбогенераторе перед использованием для реформирования и в ребуйлере CO₂-стриппера. Таким образом общее потребление электроэнергии завода может генерироваться внутри завода. Мощность турбогенератора ~90 кВт·ч/т для холодной разгрузки или 105 кВт·ч/т ГБЖ для горячей разгрузки — достаточно для покрытия всего потребления электроэнергии завода.

Важная характеристика завода Energiron — возможность проектирования процесса с нулевой потребностью в приправочной воде. Это возможно преимущественно потому, что вода — побочный продукт реакции восстановления, так как она конденсируется и удаляется из газового потока. Следовательно, с внедрением замкнутой водной системы на базе водяных теплообменников вместо обычных охлаждающих башен нет необходимости во свежей приправочной воде, и на батарейных пределах остается небольшой поток воды.

Эксплуатационные параметры и удельные расходы

Типичные характеристики продукта процесса Energiron ZR приведены в табл. 1.

Табл. 1 Типичные характеристики продукта
№	Параметр	Ед.	ПВЖ	ГБЖ	Hytemp
1	Металлизация	%	92–95	92–95	92–95
2	Углерод	%	1,5–5,5	1,5–2,5	1,5–5,5
3	Температура	°C	40	40	>600
4	Насыпная плотность	т/м³	1,60	2,50	1,60
5	Видимая плотность	т/м³	3,20	5,00	3,20
6	Номинальный размер	мм	6–15	110×60×30	6–15
7	Fe₃C	%	25–60	25–30	25–60

Типичные эксплуатационные параметры и удельные расходы для процесса Energiron ZR приведены в табл. 2.

Табл. 2 Типичные эксплуатационные параметры и удельные расходы для процесса HYL ZR
№	Параметр	Ед.	Холодное ПВЖ		ГБЖ	Горячее ПВЖ
1	Углерод	%	4,5	2,5	2,5	4,5	4,5
2	Металлизация	%	93	93	93	93	93
3	Температура ПВЖ	°C	40	40	700	700	700
4	Железная зарядка	т/т	1,36	1,39	1,41	1,36	1,39
5	Природный газ	Гкал/т	2,25	2,20	2,23	2,35	2,25
6	Электричество	кВт·ч/т	65	65	80	65	65
7	Кислород	Нм³/т	42	53	53	48	53
8	Вода	м³/т	0,8	0,8	1,1	0,8	0,8
9	Азот	Нм³/т	12	12	19	18	18

Типичные выбросы процесса Energiron ZR приведены в табл. 3.

Табл. 3 Типичные выбросы процесса HYL ZR
№		Выброс	Ед.	Значение
1		NOₓ с ультра-низкими горелками NOₓ	мг/Нм³	50–80
2		NOₓ с каталитическим селективным удалением	мг/Нм³	10–50
3		CO	мг/Нм³	20–100
4		Пыль от трубы реформера/печи перегрева	мг/Нм³	1–5
5		Пыль от дедустирования транспорта материалов	мг/Нм³	5–20