Технология прямого восстановления Energiron: чистое и экономичное производство железа

Технология прямого восстановления Energiron

Технология прямого восстановления Energiron — газовая технология прямого восстановления. Процесс Energiron превращает железорудные пеллеты или куски в металлическое железо. Он использует технологию прямого восстановления HYL, разработанную совместно Tenova и Danieli, и является конкурентным и экологически чистым решением для снижения стоимости производства жидкой стали. Он использует простую конфигурацию завода, имеет гибкость в использовании различных источников восстановительных газов и очень эффективное и гибкое использование железных руд. Ключевой фактор многих преимуществ процесса напрямую связан с его работе под давлением.

Energiron — название продукта прямого восстановленного железа (DRI), производимого технологией прямого восстановления Energiron. Продукт так назван, поскольку он несет значительную энергию, которая реализуется в процессе сталеплавиления.

Energiron — высокометаллизированный продукт с содержанием углерода (C), контролируемым в диапазоне 1,5–5,0 %. Более высокое содержание C в Energiron генерирует химическую энергию в процессе плавления в электродуговой печи (EAF). Уникально стабильная характеристика DRI Energiron делает его продуктом, который может безопасно и легко транспортироваться без брикетирования, следуя стандартным рекомендациям IMO (Международной морской организации).

Процесс гибок для производства трех различных форм продукта в зависимости от конкретных требований каждого пользователя. Три формы DRI Energiron: холодное DRI, HBI (горячебрикетированное железо) или горячее DRI («Hytemp» железо с температурой разгрузки выше 700 °C). Холодное DRI обычно используется в смежной сталеплавильной цехе рядом с заводом прямого восстановления. Оно также может отгружаться и экспортироваться. HBI — это DRI, разгруженное горячим, брикетированное и затем охлажденное. Это торговое продукт, обычно предназначенный для зарубежного экспорта. Hytemp Energiron — горяче разгруженное DRI, пневматически транспортируемое от завода прямого восстановления к смежной сталеплавильной цехе для прямой загрузки в электродуговую печь (EAF).

Первоначальная разработка выполнена Hylsa. В 1977 году Hylsa создала новый операционный дивизион (HYL technologies) для формальной разработки и коммерциализации технологий прямого восстановления. В 2005 году Techint Technologies приобрела HYL technologies. Позже этот дивизион стал называться Tenova HYL. В 2006 году стратегическое альянс сформирован Tenova и Danieli для проектирования и строительства газовых заводов DR под новой торговой маркой «Energiron». Первый коммерческий завод

HYL ZR (нулевой реформер) запущен в 1998 году. Первый завод нового поколения Energiron ZR мощностью 2 млн тонн в год установлен на Suez Steel, а крупнейший в мире завод Energiron в одном модуле мощностью 2,5 млн тонн в год — на Nucor Steel.

Процесс прямого восстановления Energiron

Процесс прямого восстановления Energiron использует шахтную восстановительную печь для производства DRI. Он предназначен для превращения железорудных пеллет/кусков в металлическое железо за счет восстановительных газов в твердо-газном движущемся слое шахтной печи. Кислород (O₂) удаляется из железной руды химическими реакциями на основе водорода (H₂) и угарного газа (CO) для производства высокометаллизированного DRI. Процесс гибок для производства трех различных форм продукта Energiron под потребности конечного пользователя. Ключевой аспект процесса — независимый контроль металлизации и углерода (C) в продукте. Процесс прямого восстановления Energiron основан на схеме ZR.

Горячие восстановительные газы подаются внутрь шахтной печи в зону восстановления. Внутри печи эти газы текут вверх противотекуще движущемуся слою железной загрузки. Распределение газа равномерно и есть высокая степень прямого контакта между газом и твердым веществом без физических ограничений потока твердого или газа внутри единицы. Выхлопной газ (верхний газ) покидает шахтную печь при около 400 °C и проходит через рекуператор тепла верхнего газа, где энергия газа восстанавливается для производства пара. Альтернативно, энергия выхлопного газа может использоваться для предварительного нагрева потока восстановительного газа, а затем выхлопной газ может быть охлажден через процесс калирования/смачивания с помощью охлаждающей воды.

Охлажденный смачивающий газ проходит через компрессор рециркуляции охлаждающего газа для рециркуляции в шахтную печь после дозаправки природным газом (ПГ). ПГ впрыскивается как дозаправка в контур охлаждающего газа для оптимальной эффективности и контроля процессов охлаждения и карбуризации.

Удаление O₂ из железной руды осуществляется действием горячих восстановительных газов, а затем продукт карбуризуется. Ротационный клапан, расположенный внизу шахтной печи, регулирует непрерывный гравитационный поток загрузки вниз через восстановительную печь. Energiron разгружается автоматизированными механизмами, состоящими из герметичных бункеров и шлюзов. Специально спроектированные питатели обеспечивают равномерный поток твердого вещества внутри шахтной печи. Для холодного DRI охлаждающий газ подается в нижнюю коническую часть печи при около 40 °C, текущий вверх противотекуще движущемуся слою DRI.

Для горячего разгружаемого продукта и использования охлаждающий контур устраняется, и горячее DRI непрерывно разгружается при температуре выше 700 °C. Для пневматической транспортной системы «Hytemp» продукт транспортируется посредством газа-носителя к накидным бункерам, расположенным на сталеплавильном цехе, для контролируемой загрузки в электродуговую печь. Для производства HBI горячее DRI непрерывно разгружается при температуре выше 700 °C в горячие брикетирующие машины, расположенные снизу. HBI охлаждается в вибрационных охлаждающих транспортерах с использованием охлаждающей воды и затем сбрасывается на транспортёр HBI.

Одна из встроенных характеристик технологической схемы Energiron, имеющей высокую экологическую важность, — селективная элиминация побочных продуктов, генерируемых процессом восстановления: воды (H₂O) и диоксида углерода (CO₂). Эти побочные продукты элиминируются через смачивание верхнего газа и системы удаления CO₂ соответственно. Селективное удаление H₂O и CO₂ оптимизирует потребности в дозаправке. H₂O, производимый в процессе восстановления, конденсируется и удаляется из газового потока, и большая часть пыли, переносимой газом, также разделяется. Смачиваемый газ затем проходит через компрессор рециркуляции процессного газа, где его давление повышается. Сжатый газ, после отправки в блок удаления CO₂, смешивается с дозаправкой ПГ, таким образом замыкая контур восстановительного газа.

Схема Energiron ZR характеризуется: (i) использованием H₂-богатых восстановительных газов с соотношением H₂/CO около 5, (ii) высокой температурой восстановления обычно более 1050 °C, и (iii) высокой рабочей давлением нормально в диапазоне 6–8 кг/см² внутри движущегося слоя шахтной печи. Более высокое рабочее давление позволяет: (i) низкую флюидизацию, (ii) более высокий ввод мелких фракций, (iii) высокую производительность около 10 т/ч на м², (iv) более низкое потребление железной руды, (v) низкие скорости восстановительного газа около 2 м/с, и (vi) более низкое потребление энергии из-за более низкого коэффициента сжатия. Это приводит к более мелким шахтным печам, способствует однородному распределению газа через слой твердого вещества и минимизирует пылевые потери (менее 1 %) через вынос верхним газом из-за меньшей силы увлечения. Это также приводит к очень низкому стандартному отклонению в качестве производимого первичного Energiron помимо снижения общего потребления железной руды (около 1,4 т железной руды на т DRI с просеиванием на 3,2 мм и без переплавки). Это, в свою очередь, снижает общие эксплуатационные расходы. Другая отличительная черта этой процессной схемы без интегрированного/внешнего реформера — более широкая гибкость для карбуризации DRI.

Автоматизация процесса

Процесс Energiron сочетает различные и сложные физико-химические процессы, которые должны быть оптимизированы для получения желаемого набора химических реакций и тепловых и массобменных обменов среди множества газообразных, жидких и твердых фаз. По этой причине используется полная система автоматизации, которая в свою очередь использует последние доступные технологии в области процессных контроллеров, программной диагностики, высокой доступности и аварийно-безопасных функций. Процесс контролируется более чем 5500 аналоговыми и цифровыми переменными, которые автоматически анализируются системой автоматизации. Все процессные переменные, поступающие с полевых приборов, постоянно собираются различными системами сбора (ПЛК, HMI), предоставляя ценный набор информации для непрерывного мониторинга и оптимизации процесса. Передовое ПО процесса Energiron использует этот огромный потенциал, управляя интегрированным сбором данных, анализом и веб-отчетностью с мощными статистическими инструментами для поддержки принятия решений. Это наконец делает возможным дальнейшую оптимизацию эффективности процесса путем обнаружения оптимальных уставок в реальном времени, с последующей важной экономией энергии.

Система управления Energiron основана на архитектуре, состоящей из традиционного уровня 1 системы управления оборудованием с «распределенной системой управления» (DCS), плюс система уровня 2 не только для процессного надзора, отслеживания данных и создания производственных отчетов, но и для оптимизации процесса. Разработана «Модель реконструкции процесса» (PRM). Она использует инструментальные сигналы от ПЛК и физические уравнения для обеспечения полного описания состояния завода. Таким образом становится возможным расчет многих обычно не измеримых элементов, таких как состав верхнего газа и соответствующий редукционно-окислительный коэффициент.

Процессные реакции

В процессе происходят три типа химических реакций: (i) реакции реформирования, (ii) реакции восстановления, и (iii) реакции карбуризации. Следующие реакции происходят при in-situ очистке.

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

Реакции, происходящие при восстановлении и при карбуризации DRI, следующие.

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂
3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂
3Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

Технологическая схема стандартного процесса Energiron приведена на рис. 1.

Рис. 1 Технологическая схема процесса Energiron

Типичный энергетический баланс процесса Energiron показан на рис. 2.

Рис. 2 Типичный энергетический баланс процесса Energiron

Завод и оборудование

Завод прямого восстановления Energiron состоит главным образом из следующего завода и оборудования с их характерными особенностями.

• Шахтная восстановительная печь, содержащая движущийся слой. Эта шахтная печь имеет систему загрузки железной загрузки и систему разгрузки продукта.
• Контур восстановительного газа, состоящий из нагревателя процессного газа, рекуператора тепла верхнего газа, блока калирования/смачивания верхнего газа, компрессора рециркуляции восстановительного газа, увлажняющей башни и сепараторов капли.
• Эксплуатация печи осуществляется с минимальным потреблением ПГ и воды, а также впрыском O₂.
• Система разгрузки продукта может иметь: (i) охладитель для производства холодного DRI, (ii) горячую брикетирующую машину для производства HBI, и/или (iii) пневматическую транспортную систему Hytemp для переноса горячего DRI напрямую из шахтной печи в электродуговую печь (EAF).
• Внешний контур охлаждающего газа, состоящий из блока калирования/смачивания и компрессора рециркуляции охлаждающего газа.
• Адсорбционная система, основанная на PSA (перекачечно-адсорбционном цикле), для удаления диоксида углерода (CO₂) из потока восстановительного газа.
• Оборудование для обработки железной руды, включая накидной бункер железной руды, транспортеры пересылки, просеивательную станцию, систему покрытия пеллет, питательный транспортер, вместе с пробоотборными и взвешивающими единицами.
• Система обработки DRI, состоящая из транспортеров и связанного оборудования для транспортировки холодного DRI.
• Охлаждающая башня вместе с фильтрующим оборудованием и насосами.
• Система процессной охлаждающей воды, основанная на замкнутом контуре для минимизации водопотребления, с кларификатором и осадочными прудами.
• Система процессного управления и приборов, использующая микропроцессорную распределенную систему управления.
• Электрическая подстанция, электродвигатели и освещение.
• Инертная газовая система, обычно на основе азота (N₂).
• Воздушный компрессор.

Эксплуатационные параметры и удельное потребление

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

Табл. 1 Типичные характеристики продукта
№	Показатель	Ед. изм.	DRI	HBI	Hytemp железо
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 удельное потребление для процесса Energiron ZR приведены в табл. 2.

Табл. 2 Типичные эксплуатационные параметры и удельное потребление для процесса Energiron ZR
№	Показатель	Ед. изм.	Холодное DRI		HBI	Горячее DRI
1	Углерод	%	4,5	2,5	2,5	4,5	4,5
2	Металлизация	%	93	93	93	93	93
3	Температура DRI	°C	40	40	700	700	700
4	Железная загрузка	т/т	1,36	1,39	1,41	1,36	1,39
5	Природный газ	Gкал/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 Energiron ZR
№		Выбросы	Ед. изм.	Значение
1		NOx с ультра-низкими горелками NOx	мг/Нм³	50–80
2		NOx с селективным каталитическим удалением	мг/Нм³	10–50
3		CO	мг/Нм³	20–100
4		Пыль от стэка нагревателя/реформера	мг/Нм³	1–5
5		Пыль от дедустинга обработки материалов	мг/Нм³	5–20

Особенности процесса Energiron ZR

Процесс Energiron ZR уменьшил размер и повысил эффективность заводов прямого восстановления. Восстановительные газы генерируются in-situ реформированием углеводородов природного газа внутри шахтной восстановительной печи путем подачи ПГ как дозаправки в контур восстановительного газа и впрыска O₂ на входе шахтной печи. В процессе достигается оптимальная эффективность восстановления, так как восстановительные газы генерируются в зоне восстановления. Благодаря этому внешний реформер восстановительного газа не требуется. Обычно общая энергетическая эффективность процесса Energiron ZR более 80 %, оптимизируемая in-situ реформированием внутри шахтной печи. Продукт забирает большую часть энергии, поставляемой процессу, с минимальными энергопотерями в атмосферу.

Влияние на размер завода устранения внешнего газового реформера существенно. Для мощности 1 млн т/год площадь требований уменьшается примерно на 60 %. Это также облегчает размещение завода DR рядом со сталеплавильным цехом.

Дополнительное преимущество процесса Energiron ZR — гибкость карбуризации DRI, позволяющая достигать уровней C до 5 %. Это из-за улучшенного карбуризирующего потенциала газов внутри шахты, позволяющих производить преимущественно Fe₃C. DRI с высоким содержанием Fe₃C имеет гораздо более низкую реактивность, чем обычное DRI, так как для Fe₃C требуется более высокая теплота диссоциации.

Эксплуатационные условия, существующие в процессе прямого восстановления Energiron, характеризуются высокой температурой (выше 1050 °C), наличием H₂O и CO₂ как оксидантов, производимых частичным сгоранием восстановительного газа с впрыском O₂. Эти условия способствуют in-situ реформированию углеводородов. После генерации H₂ и CO одновременное восстановление железной руды и последующая карбуризация DRI происходят внутри реактора, делая эту процессную схему очень эффективной с точки зрения энергоиспользования и общего энергопотребления.

Базовая схема Energiron ZR позволяет прямое использование ПГ. Заводы, использующие процесс Energiron для прямого восстановления, могут также использовать обычное паровое реформирование ПГ как внешний источник восстановительных газов, которое долго характеризует газовые процессы прямого восстановления. Вместо ПГ другие газы, такие как H₂, синтез-газ из систем угольной газификации, петкок и аналогичные ископаемые топлива, коксовочный газ (COG) и др., также могут использоваться как потенциальные источники восстановительного газа в зависимости от конкретной ситуации и доступности. В любом случае используется та же базовая процессная схема независимо от источника восстановительного газа.

Уникальная особенность технологии Energiron ZR — её способность производить контролируемые высокие уровни углерода в DRI в виде карбида железа (Fe₃C) (обычно более 90 %). Уровни углерода в DRI до 5 % могут быть получены благодаря условиям в зоне восстановления реактора. Эти условия состоят в высокой концентрации метана (CH₄) (около 20 %) вместе с H₂ и CO, и высокой температуре слоя. Эти условия способствуют диффузии C в железную матрицу и выпадению Fe₃C. DRI с высоким содержанием Fe₃C показывает гораздо более низкую реактивность, чем обычное DRI.

Одна важная характеристика завода прямого восстановления Energiron — возможность спроектировать процесс для нулевого требования к дозаправочной воде. Это возможно главным образом потому, что вода является побочным продуктом реакции восстановления, так как она конденсируется и удаляется из газового потока. В результате, с внедрением замкнутой водяной системы на основе использования водяных теплообменников вместо обычных охлаждающих башен, нет необходимости во свежей дозаправочной воде и фактически небольшой поток воды остается доступным на батарейных пределах.

Выбросы завода прямого восстановления Energiron

Выбросы завода Energiron соответствуют самым строгим экологическим нормам. Это достигается главным образом из-за природы самого процесса. Технология Energiron эффективна по дизайну из-за своей процессной конфигурации. Поэтому, достигая высокой общей тепловой эффективности завода, нет значительной необходимости в предварительном нагреве воздуха для сгорания до высоких температур в реформере (когда используется) или в нагревателе, тем самым устраняя возможность высокого образования NOx. Выбросы NOx могут быть дополнительно снижены путем внедрения ультра-низких горелок NOx. Дальнейшее улучшение можно получить с применением технологии SCR (селективное каталитическое восстановление).

Energiron — очень чистая технология прямого восстановления. В зависимости от конфигурации, завод Energiron может удалять 60–90 % общих выбросов CO₂. Выбросы CO₂ могут значительно отличаться между двумя технологиями, используемыми для производства DRI. Независимо от использования ПГ, синтез-газа или COG, дозаправка восстановительных газов к заводу прямого восстановления содержит C, либо в виде углеводородов и/или углеродистых соединений (CO, CO₂). Также независимо от конфигурации процесса прямого восстановления, только 15–40 % (в зависимости от содержания C в DRI) покидает процесс как объединенный C в DRI, остальное уходит как CO₂.

Поскольку DRI, производимый процессом Energiron ZR, содержит более высокий процент C, меньшее количество C удаляется в виде CO₂. Разницу в генерации газа CO₂ можно заметить при сравнении с генерацией CO₂ в конфигурации прямого восстановления с внешним каталитическим реформером, интегрированным с шахтной восстановительной печью, используемым как источник дозаправки восстановительного газа. В случае генерации в конфигурации прямого восстановления с внешним каталитическим реформером, интегрированным с шахтной восстановительной печью, из общего процесса дозаправки ПГ, содержащего 140 кг C на т DRI, около 25 кг C на т DRI (17 %) покидает процесс как часть DRI, а остаток выходит как дымовые газы из реформера. Эти цифры сравниваются с 110 кг C на т DRI, из которых 40 кг C на т DRI (36 %) в DRI, производимом процессом Energiron ZR. Кроме того, из оставшихся 70 кг C на т DRI, 65 кг C селективно удаляется как чистый CO₂, который может использоваться для других применений или секвестрирован. Устранение обоих побочных продуктов, генерируемых процессом восстановления H₂O и CO₂, улучшает использование газа в процессе более чем на 95 %. Кратко, процесс Energiron обеспечивает встроенную селективную элиминацию около 65 % общего ввода C как CO₂ (около 240 кг CO₂ на т DRI).

Заводы Energiron предлагают уникальную опцию селективного восстановления CO₂. Система абсорбции CO₂ не только захватывает CO₂, но и серу, всякий раз, когда она присутствует в потоке процессного газа, снижая общие выбросы SO₂ от завода примерно на 99%.

H₂ как восстановительный газ

В железных и сталелитейных заводах H₂ ожидается заменить C как источник энергии для процесса восстановления железной руды в ближайшем будущем. В случае газовых процессов прямого восстановления H₂ заменит ПГ. Процесс Energiron ZR уже готов использовать любое количество H₂ в замене ПГ без серьезных корректировок оборудования. Фактически, в схеме процесса Energiron ZR использование H₂ отразится в более плавной эксплуатации и увеличении производительности, так как требование in-situ реформирования ПГ будет ниже.

Использование концентраций H₂ до 70 % на входе восстановительной шахты уже хорошо подтверждено в существующих заводах прямого восстановления Energiron, что включает паровой реформер для производства восстановительных газов (H₂ и CO).

Однако с использованием H₂ в замене ПГ как энергоподачи будет снижение % C в DRI, так как это разбавит концентрацию CH₄ в восстановительном газе, но из-за гибкой процессной конфигурации схемы Energiron ZR в терминах распределения дозаправки в контур восстановления и топливное использование, возможно достичь 3,5 % C даже при 35 % энергоподачи как H₂ (или около 64 % по объему — Нм³ на т DRI). Для 70 % H₂ как энергия (около 88 % по объему — Нм³ на т DRI), ожидаемый C в DRI будет менее 2,0 %.

Альянс с NSENGI

В 2014 году Tenova HYL и Danieli заключили соглашение с Nippon Steel & Sumikin Engineering Co., Ltd. (NSENGI) для объединения и коммерциализации их технологии прямого восстановления Energiron с оптимизированной технологией доменной печи, а также технологией синтез-газа (высокоэффективная угольная газификация и технология использования 부продуктовых газов сталелитейных заводов), разработанной и принадлежащей NSENGI. Цель нового альянса — объединить научно-исследовательские и разработческие деятельности с их соответствующей экспертизой в Energiron DR, доменной печи и технологиях синтез-газа, с конечной целью разработки новой технологии производства железа, которая снизит выбросы CO₂ и эксплуатационные расходы, повышая производительность и/или снижая капитальные затраты для интегрированных сталелитейных предприятий.