Процесс Romelt: эффективное плавлено-редукционное получение жидкого железа

Процесс Romelt для получения железа — это плавлено-редукционный процесс для производства горячего металла (жидкого железа). Процесс разработан Национальным университетом науки и технологий «МИСиС», Россия (ранее известным как Московский институт стали и сплавов). Разработка процесса началась в 1978 году, когда группа ученых МИСиС во главе с Владимиром Роменцом начала работу над проектированием этого процесса. Первый патент в России был получен в 1979 году.

Пилотный производственный завод площадью остыва 20 кв. м и мощностью 40 000 тонн горячего металла в год был введен в эксплуатацию в 1985 году на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). Пилотный завод был спроектирован московским Гипромезом. В качестве прототипа для этого нового метода производства горячего металла взята конструкция надежной печи Ванюкова. Процесс тестировался и отрабатывался на этом пилотном заводе между 1985 и 1998 годами. За этот период было проведено сорок одна кампания, каждая из которых включала запуск и остановку с полным сливом горячего металла и шлака из печи. За этот период на пилотном заводе было произведено более 40 000 тонн горячего металла, которое далее использовалось в конвертере (КОФ) для сталеварения.

Первый промышленный завод для производства горячего металла на основе технологии Romelt строится в Мьянме. Завод спроектирован Ленинградским Гипромезом и поставляется Тяжпромэкспортом, дочерней компанией Ростеха. Мощность завода составляет 200 000 тонн в год и он основан на переработке железной руды без обогащения из месторождения Панг Пет. Руды месторождения Панг Пет имеют содержание Fe до 29 %. Завод будет использовать некоксующий уголь из угольного бассейна Кье Те. Панорамный вид завода Romelt в Мьянме приведен на рис. 1.

Рис. 1 Панорамный вид завода Romelt в Мьянме

Сырьевые материалы и особенности процесса

Железосодержащая загрузка в процесс Romelt может быть любым железосодержащим материалом, например: мелкой рудой и концентратами, пылями и илами доменной печи и КОФ, кожевиной, шлаками, содержащими железо, отходами шарфинга и стружкой, железными пылями и т.д. Можно использовать влажные некоксующие угли с 15–20 % летучих веществ и примерно 8–10 % золы. Твердые загрузки (уголь, железооксиды, флюсы) загружаются в печь по гравитации.

Особые черты процесса Romelt включают: (i) гибкость в использовании широкого спектра железосодержащих материалов, (ii) не требуется подготовка сырьевых материалов, (iii) использование некоксующего угля как топлива и восстановителя, (iv) вспомогательные производственные единицы, такие как коксовые и агломерационные заводы, не требуются, (v) способность генерировать достаточно энергии для покрытия общих потребностей завода, включая кислородный завод, (vi) снижение стоимости горячего металла по сравнению с доменной печью (ДП), и (vii) возможность использования для переработки отходов, в этом случае стоимость горячего металла еще больше снижается.

Принцип процесса

Процесс Romelt — это однстадийный процесс жидкофазного восстановления железа. В процессе железосодержащие материалы поступают в шлаковую ванну по гравитации и агитируются газом. Они растворяются в шлаке. Железооксиды восстанавливаются из шлака с помощью углерода угля, который также поступает по гравитации и вдувается в ванну. Для интенсификации тепло- и массообмена шлаковая ванна пузырят окислительным газом, вдуваемым под поверхность шлака. Из расплавленного шлака выделяются газы, содержащие CO и H₂. Выделенный газ сгорает сверху. Тепло этого пост-сгорания в основном обеспечивает тепловую энергию для реакций, происходящих в шлаковой ванне. Ключевым элементом для эффективного процесса является активный теплообмен между зоной пост-сгорания и шлаковой ванной.

Описание процесса

Процесс Romelt использует однстадийную технологию плавлено-редукции для производства горячего металла. Процесс использует некоксующий уголь для восстановления оксидов железа железных руд и отходных материалов. Схема процесса показана на рис. 2.

Рис. 2 Схема процесса Romelt

Железосодержащие материалы, уголь и флюс подаются с помощью весовых дозаторов из соответствующих бункеров на общий конвейер. Зарядка в печь осуществляется через апертуру в кровле печи. Предварительное смешивание зарядных материалов не требуется, так как материалы после зарядки непосредственно попадают в шлаковую ванну из-за ее интенсивной агитации. Шлюзовые устройства, используемые в установках других процессов, работающих под давлением, не нужны в печи Romelt. Рабочее пространство печи Romelt находится под отрицательным давлением 1–5 мм водяного столба, что обеспечивается всасывающим вентилятором. Схематический вид плавильной печи Romelt показан на рис. 3.

Рис. 3 Схематический вид печи Romelt

Жидкая шлаковая ванна продувается либо кислородом, либо смесью кислорода и воздуха через нижние дьюзы, расположенные ниже шлакового слоя. Дьюзы имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Они обеспечивают необходимую агитацию шлаковой ванны. Некоксующий уголь, присутствующий в агитируемой жидкой шлаке, восстанавливает оксиды железа, присутствующие в железосодержащей загрузке. Полученное жидкое железо обогащается углеродом. Капли жидкого железа движутся к дну печи под действием гравитации.

В плавильной печи есть три зоны. Первая зона — зона агитируемого шлака. Это зона, где происходят все реакции. Вторая зона — дно остыва, где собирается произведенный горячий металл. Третья зона — зона спокойного шлака, расположенная между первой и второй зонами. Вторая и третья зоны должны иметь достаточную вместимость для размещения произведенного горячего металла и шлака.

Две облицованные камеры (колодцы) расположены по одну на каждом торцевом конце печи. Они используются для раздельного слива горячего металла и жидкого шлака. Колодцы соединены с рабочим пространством каналами разной высоты. Это обеспечивает раздельный транспорт горячего металла и жидкого шлака в металлический и шлаковый колодцы. Есть выпускные отверстия для слива горячего металла и жидкого шлака, расположенные на разных высотах. Эта конструкция обеспечивает непрерывный и свободный слив жидких продуктов (горячего металла и шлака) со скоростью, соответствующей мощности печи.

В шлаковой ванне тепло, необходимое для плавления и восстановления загрузочных материалов, выше, чем тепло, доступное за счет сгорания углерода некоксующего угля в CO у нижних дьюз. Таким образом, главная особенность процесса — пост-сгорание CO, H₂ и летучих веществ угля, выделяющихся из ванны, кислородом, вдуваемым через верхние дьюзы. Пост-сгорание газов до CO₂ и H₂O обеспечивает дополнительное тепло в шлаковую ванну, необходимое для поддержания переработки сырьевых материалов.

Остыв и нижняя часть ванны печи, которая постоянно содержит горячий металл и спокойный жидкий шлак, облицованы огнеупорными кирпичами. В этой зоне огнеупорная облицовка находится в благоприятных условиях, состоящих из подходящей температуры и неоксидирующей природы атмосферы. В зоне агитируемого шлака стенки печи построены из водоохлаждаемых панелей из меди. Образование шлакового черепичного покрытия на них снижает тепловые потери и устраняет возможность их износа. Это также избегает износа облицовки в местах наиболее агрессивной атаки газ-шлак-металлической эмульсии. Над шлаковой ванной стенки сделаны из водоохлаждаемых стальных панелей. Кровля печи также водоохлаждаемая.

После пост-сгорания газы при температуре до 1700 °C проходят через водоохлаждаемую выхлопную трубу в утилизационный котел. Там газы сгорают полностью с естественным притоком воздуха и охлаждаются до 250–300 °C. После утилизации энергии и охлаждения газа он очищается в системе газоочистки и десульфуризируется перед сбросом в атмосферу через трубу. Выделение пыли из печи Romelt, измеренное в выхлопной трубе, составляет в среднем около 3 % от веса заряженных материалов.

Поведение угля в шлаковой ванне

Независимо от механизма восстановления, уголь — единственный источник восстановителя в процессе. Нет принципиальных ограничений на диапазон угля, используемого для работы процесса в нормальных условиях. Любой из углей с разным содержанием твердого остатка, золы и летучих веществ может использоваться как восстановитель. Однако удельный расход угля и кислорода очень сильно зависят от состава используемого угля.

Неподготовленный влажный уголь в процессе Romelt падает сверху в шлаковую ванну. Летучие вещества образуются в шлаковой ванне и оказывают стимулирующее влияние на ход процесса. И материальный баланс, и тепловой баланс процесса зависят от того, как и в какой форме образуются летучие вещества и какую роль они играют в ходе основного процесса в печи. Именно поэтому поведение летучих веществ угля является одной из самых критических точек процесса Romelt независимо от марки используемого угля.

Удельный расход угля в процессе Romelt состоит из двух частей: (i) расход угля, необходимый для реакции с кислородом, вдуваемым через нижние дьюзы, для производства CO, и (ii) расход угля, необходимый для восстановления оксидов. Недостаток угля может быть причиной увеличения окислительного потенциала шлаковой ванны, что может привести к неконтролируемому пениванию. Однако избыточный расход угля, помимо увеличения стоимости производства горячего металла, также ухудшает тепловые условия внутри печи Romelt.

Обычно кажется, что необходимое количество угля зависит только от содержания твердого остатка в угле. Однако в печи Romelt летучие вещества также частично участвуют в процессах, происходящих в жидкой шлаковой ванне. H₂, CO и N₂ летучих веществ не изменяются в шлаковой ванне, так как эти газы выделяются из угля для образования газообразной фазы. Однако CH₄ и CO₂ летучих веществ участвуют в химических реакциях по уравнениям CH₄ = C + 2H₂ и CO₂ + C = 2CO. Если количество CO₂ мало, а метана (CH₄) существенно, то эти химические превращения приводят к наличию дополнительного количества углерода для восстановления оксидов. Углерод, образованный разложением метана, мелкодисперсен и высокоактивен и улучшает кинетику восстановительных реакций.

В процессе Romelt используется влажный уголь с влажностью около 10–12 %. В печи эта влага испаряется и частично разлагается по уравнению H₂O + C = CO + H₂. Это требует дополнительного углерода для проведения реакции разложения воды для производства водного газа, состоящего из CO и H₂.

Все три реакции — разложение метана, восстановление CO₂ до CO и разложение воды — происходят в шлаковой ванне одновременно.

Химические и металлургические аспекты процесса

Основная часть процесса восстановления происходит в зоне агитируемого шлака. Кислород или смесь кислорода и воздуха вдувается через нижние дьюзы для создания высокоагитируемой ванны. Сырьевые материалы падают в агитируемый шлак, где происходит плавление и восстановление. Шлаковая ванна поддерживается при температуре около 1400–1500 °C. Некоксующий уголь выступает и восстановителем, и источником топлива в этой зоне. В зоне агитируемого шлака происходят следующие реакции:

• Восстановление оксидов железа. x C + FeOₓ = x CO + Fe
• Газификация углерода. 2 C + O₂ = 2CO
• Термическое разложение летучих веществ угля. 2 CₓHᵧ = 2x C + y H₂
• Восстановление воды. H₂O + C = CO + H₂

Восстановленное железо образует маленькие капли, которые коалесцируют и отделяются от шлака, перемещаясь к дну печи ниже зоны спокойного шлака из-за своей более высокой плотности. Взаимодействие между металлом и шлаком в агитируемой и спокойной шлаковых зонах позволяет очистить металл через распределение примесных элементов между фазами.

Газы, образующиеся в ванне, преимущественно CO и H₂, попадают в зону сгорания. Здесь газы реагируют с кислородом, вдуваемым через верхние дьюзы, и выделяют энергию, используемую для плавленческих реакций. Реакции, происходящие в зоне сгорания:

• Пост-сгорание. CO + O₂ = CO₂ и 2 H₂ + O₂ = 2 H₂O
• Сгорание летучих веществ угля. 4 CₓHᵧ + (4x+y) O₂ = 4x CO₂ + 2y H₂O

Энергия, выделяемая при реакциях сгорания, передается обратно в ванну. Теплообмен усиливается высокой степенью турбулентности, генерируемой в шлаковой ванне нижними дьюзами. Отработавший газ сгорает в печи только частично, что позволяет дальнейшую утилизацию энергии в обычной системе утилизационного котла.

Процесс Romelt основан преимущественно на жидкофазном восстановлении железа. Следовательно, процесс имеет лучший баланс химических и энергетических аспектов двух стадий восстановления — твердофазного и жидкофазного. В процессе Romelt большая часть нагрева и восстановления переносится на стадию жидкофазного восстановления.

Восстановление железа из его оксидов в шлаке осуществляется угляными частицами и углеродом, растворенным в металлических включениях в шлаке. Существует два способа, указывающих на участие угля в восстановлении оксидов железа в печи:

• Восстановление, происходящее на поверхности газовых пузырьков, содержащих угольные частицы. Роль этих частиц — регенерировать восстановительную атмосферу в пузырьках (термодинамические условия, существующие в процессе, делают трудным для газовых пузырьков без угольных частиц восстановление оксидов железа).
• Восстановление, происходящее при прямом случайном контакте угольных частиц со шлаком. Здесь восстановление происходит при условиях, похожих на те, что существуют при восстановлении железа вращающимся углеродосодержащим материалом, когда газовые пузырьки принудительно удаляются с поверхности материала.

Восстановление в печи Romelt происходит: (i) когда угольные частицы в прямом контакте со шлаком (60–80 %), (ii) когда углерод в прямом контакте с металлическими каплями (10–15 %), и (iii) на границе «газ-шлак» (10–25 %). Обычно 85–90 % железа восстанавливается с непосредственным участием угольных частиц. Это отличает жидкофазное восстановление в процессе Romelt от других плавлено-редукционных процессов, в которых растворенный в металле углерод играет существенную роль (DIOS) или главную роль (HIsmelt) в операции восстановления.

В процессе Romelt существуют определенные оптимальные значения содержания угольных частиц в шлаковой ванне, хотя этот параметр может варьироваться в широком диапазоне. Печь Romelt не может быть перегружена или недозагружена углем. Зарядка субоптимального количества угля приводит к переокислению шлакового расплава и его неконтролируемому пениванию. Таким образом, в печь часто заряжают уголь в избытке над расчетным количеством для предотвращения переокисления, и это иногда помогает в стабилизации процесса. Однако есть предел для избыточного количества угольных частиц в шлаке. Этот предел также может вызывать нарушения процесса, такие как снижение температуры шлаковой ванны, увеличение содержания оксидов железа в шлаке, снижение степени вторичного сгорания выходящих газов и выделение большего тепла в утилизационный котел.

Доза дополнительного кислорода в печь не способствует вторичному сгоранию, потому что кислород не полностью реагирует с углем, плавающим на поверхности шлака. Этот плотный слой угля образуется в результате перезарядки угля или недозарядки оксидосодержащего сырья. Наличие слоя подавляет брызги и адгезию шлака к стенкам, что неблагоприятно влияет на передачу теплоты из зоны первичного сгорания газа в шлаковую ванну, так как теплопередача происходит преимущественно через капли шлака и шлаковую пленку, текущую вниз по стенкам в зоне вторичного сгорания.

Видно, что в печи Romelt, если содержание угля в поверхностном слое шлака составляет около 20–30 %, процесс переходит в нежелательный режим, в котором уголь блокирует теплопередачу из зоны вторичного сгорания в ванну. Возникновение этого режима зависит не только от количества и состава угля, накопленного в шлаке, но и от скорости турбулентного циркуляции шлака, так как эта турбулентность определяет эффективность, с которой уголь смешивается с другими компонентами шлакового расплава.

Характеристики продуктов и удельные расходы

Типичный анализ горячего металла от процесса Romelt состоит из: углерод — 4,5 %, кремний — 0,1 %, марганец — 0,08 %, сера — 0,05 %, фосфор — 0,1 %.

Типичный анализ шлака от процесса Romelt состоит из: CaO — 39 %, MgO — 7 %, SiO₂ — 36 %, Al₂O₃ — 11 %, FeO — 3,0 %, MnO — 3 %, TiO₂ — 0,1 %, S — 0,04 %.

Типичные удельные расходы на тонну горячего металла составляют около 940–1200 кг сухого некоксующего угля и 750–850 нм³ кислорода.

Преимущества процесса Romelt

Следующие преимущества процесса Romelt:

• Низкие капитальные затраты благодаря работе при низком давлении и использованию обычного вспомогательного оборудования.
• Не требуется кокс или коксующие угли, следовательно, более низкие операционные затраты.
• Может перерабатывать любые железосодержащие материалы, включая металлургические отходы, без какой-либо предобработки.
• Не требуется агломерация оксидов железа.
• Высокая степень извлечения железа.
• Позволяет создать эффективный источник горячего металла малого масштаба для небольших заводов.
• Экологически чистый из-за устранения коксовых и агломерационных (агломерации и пелетизации) заводов.