Угольно-восстановительная роторная печь: Низкозатратное производство железа без коксующегося угля

Процесс прямого восстановления в угольной роторной печи

Угольно-восстановительный процесс в роторной печи разработан для прямого превращения железной руды в металлическое железо без плавки материалов. Процесс отличается низкими капитальными затратами и не требует коксующегося угля. Металлическое железо получается восстановлением оксида железа ниже температуры плавки руды (1535 °C) за счет углеродсодержащего материала в некоксующемся угле. Поскольку руда находится в прямом контакте с восстановителем на протяжении всего процесса, продукт называется直接还原铁 (DRI). Продукт с высокой степенью металлизации имеет «ячеистую структуру», поэтому его часто называют губчатым железом.

Заводы по производству DRI на угольной основе гибки по расположению, так как некоксующийся уголь широко распространен в больших залежях и легко транспортируется. Большинство заводов используют процесс восстановления в роторных печах. Они работают на широком спектре сырья и некоксующихся углей. Качество материалов напрямую влияет на процесс и продукт. Некоторые заводы используют не руду напрямую, а железорудные пеллеты. Сырьевная смесь (руда, доломит, некоксующийся уголь) загружается в один конец печи и нагревается угольными горелками для получения DRI. Продукт (DRI и угольный кокс, иногда «доло-кокс») выгружается с другого конца. Кроме того, первичный и вторичный воздух подаются в печь для инициации горения и поддержания реакций.

Сырьевые материалы

Основные сырьевые материалы для производства DRI в роторной печи:

1. Калиброванная кусковая железная руда или пеллеты;
2. Некоксующийся уголь;
3. Доломит в небольших количествах для десульфуризации.

Требования к железной руде

Руда правильного качества — базовый вход для угольного прямого восстановления. Большинство заводов используют кусковую руду. Основные требования:

• Высокое содержание Fe, мало шлакообразующих и вредных примесей (P, S);

Требования к некоксующемуся углю

Уголь играет двойную роль: источник тепла и восстановитель. Основные требования:

• Некоксующие свойства (индекс коксования ≤3) — избежание кольцевых нагаров;
• Низкое зольное содержание (≤20%) — эффективное использование объема печи;
• Низкая сера (≤0,01%) — контроль серы в DRI;
• Хорошая реакционная способность — для реакции Будуара (C + CO₂ = 2CO);
• Высокая температура плавления золы (>1400 °C) — предотвращение слипаний и шлакообразования;
• Оптимальное содержание летучих веществ (25–30%) — баланс реакционной способности и газового объема;
• Низкий индекс набухания (<1).

Физико-химические спецификации угля:

• Размер кусков: 5–20 мм;
• Мелкая фракция: <5 мм;
• Загрязнения (сланец, камни): <3%;
• Фиксированный углерод: ≥45%;
• Летучие вещества: 25–30%;
• Зола: ≤20%;
• Влажность: ≤8%.

Доломит

Используется для десульфуризации. Типичная спецификация: MgO ≥22%, CaO ≤28%, ПМО — остальное.

Химические реакции

Реакции происходят внутри роторной печи (поперечное сечение — рис. 1). Процесс основан на твердом восстановителе (некоксующийся уголь) при 1000–1100 °C. Уголь частично сгорает для тепла, основная роль — поставка углерода для восстановления. Доломит — серовлавливатель, уходит в кокс.

Конечная реакция восстановления: Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

CO образуется при контролируемом сгорании угля по реакциям Будуара:

• C + O₂ = CO₂
• C + CO₂ = 2CO

Восстановление проходит ступенчато: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Реакции гетерогенны. Два набора реакций: (1) уголь–CO₂–O₂; (2) частицы руды–CO. Удаление кислорода как CO₂ делает DRI пористым. Реакция между частицей руды и газовым восстановителем проходит в 5 стадиях: диффузия газа к поверхности, проникновение через слой продукта, реакция на границе невосстановленного ядра, диффузия продуктов наружу, диффузия в основной газовый поток. Ограничивающая стадия определяет общую скорость. Скорость зависит от концентрации реагентов, температуры активного интерфейса и площади реакции.



Рис. 1 Поперечное сечение роторной печи

Процесс прямого восстановления

Процесс ведется в роторной печи при 1000–1100 °C. Продукт (DRI + кокс) охлаждается в роторном охладителе с внешним водяным охлаждением. Затем проходит сито и магнитное разделение. DRI (магнитное) отделяется от немагнитного кокса.

Руда и уголь (дробленые и просеянные) загружаются через загрузочную трубу в заданном соотношении. Печь наклонена под 2,5°, вращается переменным приводом 0,2–1,0 об/мин. Материал проходит от загрузки к разгрузке за 7–8 часов. Мелкий уголь подается с разгрузочного конца для поддержания температуры и углерода в слое. Оболочечные вентиляторы на верху печи дуют воздух в зоны для поддержания температурного профиля. Материал и газы движутся в противотоке: руда прогревается и постепенно восстанавливается к разгрузочному концу.

Печь делится на две зоны (рис. 2): прогрева (40–50% длины) и восстановления. В зоне прогрева удаляется влага, летучие вещества угля (600–800 °C) сгорают с воздухом из труб. Тепло передается обмуровке и заряду. Заряд, прогретый до ~950 °C, входит в зону восстановления (1000–1100 °C). Температурный профиль контролируется термопарами. Регулировка воздуха через порты и дозированная впрыска угля управляют температурой. Оксид железа восстанавливается CO из угля.

Горячий продукт через желоб попадает в роторный охладитель (наклон 2,5°, 0,3–1,2 об/мин). Вода распыляется на оболочку для косвенного охлаждения. Материал охлаждается до ~100 °C и выгружается на ленту через двойной маятниковый клапан (герметизация). Охлажденный продукт идет на разделение: вибрационное сито + магнитные сепараторы. DRI отделяется от кокса и золы, просеивается на фракции.

Газы в противотоке идут в пылеустановку (DSC), где осаждаются крупные частицы (влажный скребок). Затем в постгорательную камеру (ABC) — догорание остаточного углерода/CO избыточным воздухом. Горячие газы с телом тепла идут в утилизационный котел (WHRB) для генерации пара (обычно для электростанции). Охлажденные до ~200 °C газы проходят очистку (тканевые фильтры, скрубберы, ЭОФ) и уходят в атмосферу через трубу (~80 °C).

Для избежания кольцевых нагаров температура в печи не должна превышать 1100 °C.

Время восстановления 7–8 часов ограничивает производительность: 30 000–150 000 т/год в зависимости от размера печи. Основные стадии и концепция процесса — рис. 2.



Рис. 2 Важные стадии и концепция процесса роторной печи

В процессе требуется ~6 Гкал топливной энергии на тонну. >2 Гкал уходит с отработающими газами. Часть утилизируется в WHRB.

Типичная схема потока — рис. 3.



Рис. 3 Схема потока угольного прямого восстановления

За вторую половину XX века разработано несколько процессов. Выжившие имеют общие черты:

• Уплотнение для предотвращения засасывания воздуха в печь;
• Механическое бросание угля с разгрузочного конца;
• Взвесная дозировка и зарядка сырья;
• Контролируемая подача воздуха через интервалы длины печи без окисления продукта;
• Измерение и регистрация температуры по длине печи;
• Косвенное охлаждение DRI-кокса в роторной стальной оболочке водяным распылением;
• Магнитное разделение DRI от смеси DRI-кокс;
• Обработка отработающих газов и поддержание профиля потока давлением;
• Утилизация энергии отработающих газов.

Оборудование и сооружения

• Подготовка сырья: виброфидеры, дробилки, сита. Руда обычно закупается калиброванной (5–20 мм). Уголь поступает до 200 мм, дробляется в первичной/вторичной дробилках в замкнутом цикле с ситами. Разделяют фракции: куски 5–20 мм (зарядной уголь) и мелкая фракция <5 мм (впрыскиваемый уголь). Доломит (3–8 мм) обычно закупается калиброванным. Все материалы по конвейерам в суточные бункеры.
• Склад сырья: суточные бункеры (день потребления) для каждого вида сырья.
• Система дозированной зарядки: весовые дозаторы под бункерами подают материалы в заданной пропорции на конвейеры к печи.
• Роторная печь: сердце процесса. Диаметр и длина зависят от мощности. Обмуровка — высокоалюминиевая керамика с дамками на концах. Наклон 2,5°, 2–4 опорных станции. Скорость транспортировки регулируется наклоном и скоростью вращения. Входные/выходные конусы с индивидуальными вентиляторами. Порты пробы. Гидравлика для продольного позиционирования. Уголь и руда дозируются в верхний конец. Часть угля пневматически впрыскивается с разгрузочного конца. Заряд проходит зону прогрева (девиolatилизация угля, прогрев руды). Температурный контроль — трубки закаливания воздуха с вихреобразователями. Центральный горелка на разгрузочном конце для разогрева холодной печи (ЛДТ), затем для подачи воздуха. Температура — фиксированные термопары и порты «быстрых термопар» (QRT).
• Роторный охладитель: продукт (~1000 °C) через герметичный желоб с сепаратором крупных кусков. Охладитель — вращающийся цилиндр (наклон 2,5°). Косвенное охлаждение водяным распылением на оболочку. Вода собирается в желобах, циркулирует через охлаждающую башню. Гризли в желобе удаляет крупные нагары (>50 мм). Материал через двойной клапан на конвейер к разделение.
• Участок разделения продукта: вибрационное сито (3 и 20 мм) + магнитные сепараторы. Продукт с охладителя (DRI, кокс, зола) на конвейере к ситу. Удаляют +20 мм DRI. Недосито (-20 мм) разделяют на ±3 мм. Каждая фракция через магнитный сепаратор. Немагнитная часть +3 мм — в основном кокс (рецикл в печь или топливо для котла). Немагнитная -3 мм — прокаленный доломит, зола, мелкий кокс (утилизация). Магнитная часть — DRI. +3 мм напрямую в сталелитейство, мелкая фракция — брикетирование и упаковка.
• Склад продукции: бункеры для DRI кусков (3–20 мм) и мелкого DRI (<3 мм) (минимум суточная выработка). Кокс отдельно для котельной.
• Система отработающих газов: газы (~850–900 °C) в пылеустановку (DSC) — осад крупной пыли. Затем в ABC — догорание избыточным воздухом. Температура ABC иногда регулируется водяным распылением. Газы в утилизационный котел (WHRB) — извлечение чувствительного тепла. Затем очистка (ЭОФ/тканевые фильтры/скруббер), ИД-вентилятор, труба. Желательно оснащать WHRB.
• Коммунальные системы: сжатый воздух (компрессоры) и охлаждающая вода (насосная станция, охлаждающая башня).

Нагарование в роторной печи

Материал в печи качается и скользит, на огнеупоре неизбежно образуется тонкий пылевой слой. Некоторые зоны склонны к накоплению частиц; комбинация тепловых и гидродинамических условий формирует цилиндрические отложения — кольца. При росте кольца рабочее сечение печи уменьшается, препятствуя движению продукта и газов. Кольца обычно близко к зоне восстановления или горелке, вызванные перегревом обмуровки пламенем. Это наиболее частые и проблематичные кольца.

Причина нагаров — формирование низкоплавких сложных соединений в системах FeO–SiO₂–Al₂O₃ (вюстит, фаялит, железный кордиерит, герцинит) и CaO–MgO–FeO–SiO₂–Al₂O₃ (мелилит, анортит, акермаит, железно-магниевый кордиерит, спинель, железно-магниевый силикат). Сосуществование этих соединений снижает температуру плавления заряда, который прилипает к огнеупору. Некоторые нагары от агломерации мелких фракций у загрузочного конца или синтерирования DRI из-за перегрева/низкого соотношения C/Fe на разгрузочном конце.

Кольца недоступны извне во время работы, их невозможно удалить. Часто вызывают внеплановые остановки. Большинство остановок печи — из-за нагаров.

Термины, связанные с производством DRI

Процент общего железа (Fe T) — суммарное железо в пробе (металлическое + химически связанное). Fe T = (масса Fe / масса пробы) × 100.

Процент металлического железа (Fe M) — химически свободное железо и цементит (Fe₃C). Fe M = (масса металл. Fe / масса пробы) × 100.

Остаточные оксиды железа — FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ (обычно FeO).

Общий углерод — сумма свободного и связанного (в цемените) углерода.

Примеси — нежелательные элементы/соединения (S, P чаще всего).

Металлизация — мера превращения оксидов железа в металлическое (свободное или в цемените) путем удаления кислорода восстановителем.

Степень металлизации — доля общего железа в металлическом виде. Степень металлизации = (Fe M / Fe T) × 100.

Эквивалентная металлизация — учитывает способность углерода в губчатом железе удалять кислород от остаточных оксидов при сталелитье. Эквив. металлизация (%) = Степень металлизации (%) + 5 × % общего углерода в DRI.

Процент восстановления — удаленный кислород при производстве DRI относительно исходного Fe как Fe₂O₃. % восстановления = [1 – 2,327 × (%O/%Fe T) в DRI] × 100. (Могут быть иные определения относительно исходного оксидного состояния руды).

Процент шлакообразующих (gangue) — нежелезные соединения (SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO и др.). Gangue = 100 – %O с Fe – %Fe M – %C.

Четвертичная база — (%CaO + %MgO) / (%Al₂O₃ + %SiO₂).

Процесс Corex: Более чистая и экономически эффективная альтернатива традиционному получению чугуна Оптимизированная сортировка и подготовка стального лома для устойчивого рециклинга