Circored и Circofer: эффективное восстановление мелкой железной руды в fluidized bed (пузырьковом слое)

Процессы Circored и Circofer в железопроизводстве

Процессы Circored и Circofer — это технологии восстановления мелкой железной руды на основе fluidized bed (пузырькового слоя). Они полностью исключают стадию агломерации и позволяют использовать мелкую руду напрямую. Поскольку в качестве восстановителя применяется некоксующийся уголь, в коксовых батареях нет необходимости. Технология fluidized bed идеально подходит для энергозатратных процессов прямого восстановления благодаря высоким коэффициентам тепло- и массопереноса.

Оба процесса разработаны компанией Lurgi Metallurgie GmbH (Германия, теперь Outotec Oyj, Финляндия) для производства прямовосстановленной железа (ПВЖ) из мелкой железной руды. Мощность одной производственной линии может превышать 1 млн тонн в год, что обеспечивает улучшенные эффекты масштаба.

Процесс Circored основан на водороде (H₂), а процесс Circofer — на угле. Circored имеет двухстадийную схему для достижения высокой степени металлизации (90–95%), тогда как Circofer — одностадийную, обеспечивающую предварительное восстановление до ~70%. Угольный процесс Circofer дает предвосстановленное сырье для плавильно-восстановительных агрегатов (например, AusIron) или электроплавильных печей — конечный продукт: чугун или жидкое железо.

Процесс Circored

Circored использует fluidized bed в масштабах, применимых Outotec для других задач. Разработка началась в конце 1970-х: пилотные испытания на установке ELRED компании ASEA (Швеция) и в демонстрационном реакторе CFB (циркулирующий fluidized bed) производительностью 3 т/ч у Thyssen Stahl (Дuisбург, Германия) — для обработки отходов металлургических заводов.

Первая коммерческая установка Circored (500 тыс. т/год ГБЖ) построена в 1998 г. компанией Cliffs and Associates Ltd. в.Point Lisas (Тринидад). В настоящее время завод не работает.

Это процесс на основе природного газа для производства ПВЖ из мелкой руды. Двухстадийная схема: первый этап — циркулирующий fluidized bed (CFB), второй — пузырьковый fluidized bed (BFB). Для нагрева мелкодисперсного ПВЖ до температуры брикетирования используется вспышечный нагреватель.

Водородный процесс Circored дает высокометаллизированное ПВЖ или горячебрикетированное железо (ГБЖ) для прямой загрузки в дуговую печь (ДП). Он снижает энергопотребление и выбросы, предлагая устойчивое решение для сталеплавильного производства. Ключевые особенности: (i) прямое использование мелкой руды без агломерации (пеллетирования/синтерирования); (ii) работа на чистом водороде — минимальные выбросы CO₂ и низкие температуры восстановления, исключающие склизывание.

Водород получают паровым конвертированием природного газа, но возможен и электролиз воды.

Основная реакция: Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.

CFB выбран для предвосстановления (65–70%) за счет: (i) высокой скорости проскальзывания газ/твердое тело, (ii) отличного тепло- и массопереноса, (iii) короткого времени пребывания (20–30 мин). Высокие газовые скорости (4–6 м/с) позволяют уменьшить диаметр реактора, снижая капитальные затраты. Пыльный отходящий газ из BFB используется как вторичный в CFB, повышая утилизацию газа.

BFB обеспечивает финальную металлизацию 93–95% при более низких газовых скоростях (0,5–0,6 м/с) и времени пребывания 2–4 часа. Температура ~650 °C, реакции диффузионно-контролируемые. Продукт нагревается во вспышечном нагревателе до ~700 °C и брикетируется в ГБЖ.

Circored использует только H₂ (из конвертирования природного газа) как восстановитель — в продукте нет углерода. Температура <650 °C предотвращает склизывание, но требует больших объемов процессного газа; поэтому работает при давлении 4 кгс/см². Процессный газ предварительно нагревается до ~750 °C в двух газовых печах. Отходящий газ BFB идет в CFB как вторичный. Газ из циклона CFB охлаждается, проходит мультициклон (пыль в вспышечный нагреватель), скруббер (удаление пыли и воды), сжимается и возвращается в процесс.

Пыль из скруббера агломерируется в микрогранулы (~350 мкм) с связующим; закалка происходит в секции предварительного нагрева. Метод применим и к ультрамелким рудам (пеллет-корм).

Охлажденный газ сжимается, нагревается до ~750 °C и возвращается в реакторы. Свежий H₂ (из парового конвертера с удалением CO₂) добавляется после компрессии: 2/3 — в BFB, 1/3 — в CFB. Предусмотрена горячая загрузка ПВЖ в ДП без брикетирования.

Рис. 1. Технологическая схема процесса Circored

Рис. 2. Типовая планировка установки Circored (500 тыс. т/год)

Типовые расходы на 1 т ГБЖ: мелкая руда (67% Fe) — 1470 кг; эл. энергия — 100 кВт·ч; прир. газ — 2,75 Гкал; вода — 0,6 тыс. м³; трудозатраты — 0,23 чел·ч.

Преимущества: (i) прямое использование дешевой мелкой руды; (ii) низкие выбросы CO₂ и низкие температуры; (iii) отличный тепло- и массоперенос в CFB; (iv) низкие капитальные и операционные затраты.

Энергосбережение:

• Расход газа: 2,75 Гкал/т.
• Потребление электроэнергии на 1 т жидкой стали (маршрут Circored–ГБЖ–ДП): 901 кВт·ч/т.

Выбросы CO₂ (процессные и суммарные с учетом электроэнергии): 1,2 и 2,02 т/т стали. Маршрут Circored–ДП выделяет ~50% CO₂ от традиционного доменная печь–конвертер. При использовании «зеленого» водорода и электроэнергии снижение до 90%.

Процесс Circofer

Circofer восстанавливает мелкую руду углем в CFB, где восстановительный газ получается газificacióй угля in-situ. Рабочая температура ~950 °C, избыточный газ не производится. Благодаря комплексному применению CFB-технологий процесс отличается исключительным тепло- и массопереносом, равномерной температурой и высокой утилизацией тепла и газа.

Пилотная установка (5 т/сут) в Франкфурте позволяла тестировать руды и угли, моделировать условия для проектирования промышленных объектов. ПВЖ (металлизация >93%) предназначено для мини-сталеплавилок и легированных сталей, но применимо и на крупных заводах.

Суть: CFB с интегрированным теплогенератором. Уголь частично окисляется кислородом (~1000 °C), выделяя тепло и образуя кокс (восстановитель и антисклизывающий аддитив). Это позволяет вести CFB при 950 °C без склизывания.

Мелкая руда и рециркулируемый кокс (из магнитного разделения) предварительно нагреваются до ~800 °C в двухстадийной CFB-системе за счет чувствительного тепла отходящего газа. В CFB восстановление до ~70% металлизации. Затем сырье переходит в FB-реактор для довосстановления до ~93%. Продукт, зола и избыточный кокс отбираются, охлаждаются до ~730 °C, магнитное разделение. Металлизированная фракция горячебрикетируется при ~680 °C. Неметаллический кокс рециркулируется.

Типовый состав ПВЖ Circofer: Fe всего — 92,7%, Fe металл. — 85,8%, металлизация — 92,6%, C — 1,32%, SiO₂ — 1,25%, Al₂O₃ — 2,62%, CaO — 0,06%.

После разделения возможны два пути: (1) брикетирование в ГБЖ; (2) немедленное плавление горячего ПВЖ (AusIron) — экономия энергии «в один нагрев», избыточный углерод служит энергоносителем.

Рис. 3. Схема процесса Circofer с печью AusIron

Процесс характеризуется замкнутым газовым контуром: газ из газификации и восстановления охлаждается, дедустируется, удаляются H₂O и CO₂, затем сжимается, нагревается и рециркулируется. Высокие температуры и реакция Будуара обеспечивают высокую утилизацию газа без избыточного продуктного газа.

Газ проходит: предварительный нагрев руды → отопительный котел (~220 °C) → мешковый фильтр → карандаш/скруббер (удаление влаги) → колонна удаления CO₂ (пар из котельной для регенерации) → компрессор → реинъекция в реакторы и газификатор.

Ключевые характеристики Circofer:

• Использование угля.
• Мелкая руда без агломерации.
• Минимальная подготовка сырья.
• Высокий тепло- и массоперенос (fluidized bed).
• Замкнутая энергетическая система, минимум первичной энергии.
• Нет избыточного газа.
• Нет опасных отходов.
• Экологичность, низкие выбросы.
• Гибкость: ГБЖ или горячее ПВЖ для плавильного агрегата.
• Значительное увеличение производительности нижестоящей плавильной печи (AusIron).
• Снижение потребления электроэнергии нижестоящей электроплавильной печи.