Вазоук Природный газ для горения

Рис. 67. Принципиальная схема процесса "Мидрекс*:

/ — воздуходувка; 2 — теплообменник; 3 — смеситель газов; 4 — конверсионная установка; 5 — компрессор; 6 — скруббер для колошникового газа; 7 — шахтная печь; 8 — скруббер; 9 — вибрационный грохот; 10 — брикетный пресс

Конверсия от латинского conversio — изменение, превращение.

750 °С. Кроме этого, в нижнюю часть печи подают охлажден­ный оборотный газ. Охлажденные окатыши содержат ~ 95 % Fe и ~ 1 % С. Содержание углерода в губке при необходимости может быть повышено.

Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгру­жаются в бункер емкостью 5 тыс. т, где хранятся в инерт­ной атмосфере перед плавкой в дуговых печах. Расход при­родного газа на процесс составляет около 350 м³ на 1т губчатого железа. Этот процесс осуществлен у нас на Оскольском электрометаллургическом комбинате.

Кроме этого, укажем на процесс восстановления в перио­дически действующих ретортах, известный как HyL (ХиЛ). Основная особенность процесса — применение паровой кон­версии природного газа, осуществляемой в аппаратах, в которых расположена кирпичная насадка с добавкой никеля в качестве катализатора. Конверсия протекает по реакции СН₄ + Н₂0 = СО + ЗН₂.

Газ перед конверсией подвергается десульфурации. Полу­чаемый конвертированный газ содержит около 14 % СО, 58 % Н₂, 21 % Н₂0 и 4—5 % С0₂. Горячий газ проходит через котел-утилизатор и освобождается от паров воды. Сухой конвертированный газ содержит около 73 % Н₂, 15—16 % СО и 6—7% С0₂. Он подогревается до температуры 980—1240 °С в трубчатых рекуператорах, отапливаемых газом, выходящим из агрегатов восстановления. В этих агрегатах окатыши или руда нагреваются в результате использования физического тепла восстановительного газа, и при температуре 870— 1050 °С происходит восстановление железа водородом и ок­сидом углерода. На первых установках в качестве агрегатов восстановления применялись реторты. На установке таких реторт четыре.

Устройство реторты показано на рис. 68. Емкость каждой реторты 100—150 г. Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обусловливает циклический характер процес­са, складывающегося из последовательных операций загруз­ки, нагрева и восстановления железорудной шихты, охлажде­ния и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и по­дают в них газ сверху. Для выгрузки готовой губки служат резец и специальные разгрузочные скребки. Губчатое железо поступает на желоб и далее на хборный конвейер, транспор­тирующий губку в сталеплавильный цех. На каждой установке

Рис. 68. Реторта для металлизации по способу ХиЛ:

1 — гидравлический цилиндр; 2 — тележка; 3 — привод; 4 — кожух; 5 — крышка; 6 — загру­зочная горловина; 7 — площадка для обслу­живания; 8 — резец с рычагами для удаления губки; 9 — футеровка; 10 — механизм управ­ления откидным днищем; 11 — откидное днище; 12 — разгрузочный желоб

в газовом цикле участвуют четыре реторты, в каждой из которых про­текают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный подогрев шихты и восстановление ее газом, выходящим из других реторт и прошедшим освобождение от Н_гО, и подогрев. В двух ретортах происхо­дит довосстановление железа шихты подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвер­той происходит науглероживание.

Степень восстановления железа в gj ffi* '. готовом продукте составляет 75— ' 92%. На 1т продукта (губчатого железа) затрачивают 600 м³ природ­ного газа и около ЗбМДж электроэнергии. Другие способы получения губчатого железа широкого распространения не получили. Заслуживают лишь особого внимания технологии, обеспечивающие бескоксовую организацию переработки комп­лексных руд, содержащих помимо железа такие ценные компо­ненты, как?ванадий, титан, никель и др. Так, например, Институт металлургии Уральского отделения РАН разработал процесс углетермического восстановления рудоугольных ока­тышей при высоких температурах на колосниковых установках с использованием любых некоксующихся углей в качестве твердого восстановителя.

Технологическая схема выглядит следующим образом: 1) окомкование железорудного материала с твердым топливом с получением рудоугольных окатышей; 2) обжиг окатышей на установках колосникового типа с получением высокометалли-зированного сырья; 3) использование металлизированных

окатышей в качестве легирующей присадки при получении стали в электропечах.

§ 3. ПРОЦЕССЫ ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ (ПЖВ)

В течение последних 10 лет особое внимание уделяется по­искам оптимальных инженерных решений организации восста­новления железа из руд в жидкой фазе. В ряде промышленно развитых стран действуют государственные программы иссле­довательских работ для решения этой проблемы. Такие про­граммы составлены Департаментом энергетики США (ДОЕ) и Американским институтом чугуна и стали (AISI), в Япбнии ведутся работы по программе "Прямой процесс плавления-восстановления железной руды (DIOS)".

В первой программе разрабатывается следующая концепция процесса:

1) процесс основывается на плавке в ванне железорудных окатышей и мелкой железной руды вместе с углем, с подачей кислорода в непрерывном процессе с получением полупро­дукта;

2) теплота от последующего горения выделяющихся вос­становительных газов должна быть эффективно возвращена в ванну, а технологические газы утилизируются для предвари­тельного подогрева и восстановления руды.

В основе японской программы DIOS:

1) использование кипящего слоя для предварительного восстановления железорудной мелочи;

2) плавление и восстановление в агрегате с получением чугуна из предварительно восстановленной железорудной ме­лочи;

3) реформирование отходящих газов путем добавки уголь­ной мелочи.

Программа исследований в этом направлении имеется и в России.

К настоящему времени наиболее известны два инженерных решения, доведенные до промышленного использования. Пер­вое решение реализовано на заводе фирмы Искор в Претории (ЮАР) компанией Фест Альпине (VOEST—ALPINE). Разработчики назвали процесс COREX (англ. Coal—Reduction—Experience). Существо процесса Корекс видно из рис. 69. В восстанови­тельную шахту 14 загружают кусковую руду (или агломерат,

Рис. 69. Схема процесса COREX:

1 — железная руда; 2 — известь; 3 — доломит; 4 — уголь; 5 — кокс; 6 — пе­сок; 7 — осушительное устройство; 8 — грохочение; 9 — дробилка; 10 — колош­никовый газ; 11 — отходящие газы; 12 — скруббер колошникового газа; 13 — система подачи угля; 14 — восстановительная шахта; 15 — восстановительный газ; 16 — циклон горячей пыли; 17 — скруббер охлаждающего газа; 18 — охлаж­дающий газ; 19 — Продукты газификации; 20 — плавильный агрегат-газификатор; 21 — кислород; 22 — выпуск металла и шлака

или окатыши, или смесь этих компонентов). Проходя навст­речу току восстановительного газа, материал восстанавли­вается до губчатого железа (до 90% Fe). Затем губчатое железо шнековым транспортером подается в плавильную гази-фикационную камеру, где осуществляется окончательное вос­становление, плавление и нагрев расплава. Выпуск чугуна и шлака — так же, как и в обычной доменной печи. Средний состав получаемого (в 1993 г.) чугуна, %: 4,24 С; 0,6 Si; 0,33 S; 0,16 P; температура 1493 °С; выход шлака ~ 0,45 кг/т; расход (на 1 т чугуна): железная руда 1497 кг; уголь 1183 кг; флюсы 424 кг; кислород 588 м³.

Восстановительный газ образуется в плавильно-газификационной камере, где газифицируется уголь (газифи­цирующий агент — кислород). Благодаря высокой Температуре под куполом плавильной камеры-газификатора (выше 1000 °С) высшие углеводороды, выделяющиеся из угля, моментально разлагаются на оксид углерода и водород. Таким образом, в камере не образуются такие нежелательные побочные продук­ты, как смолы, фенолы и т.п.

окатышей в качестве легирующей присадки при получении стали в электропечах.

§ 3. ПРОЦЕССЫ ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ (ПЖВ)

В течение последних 10 лет особое внимание уделяется по­искам оптимальных инженерных решений организации восста­новления железа из руд в жидкой фазе. В ряде промышленно развитых стран действуют государственные программы иссле­довательских работ для решения этой проблемы. Такие про­граммы составлены Департаментом энергетики США (ДОЕ) и Американским институтом чугуна и стали (AISI), в Японии ведутся работы по программе "Прямой процесс плавления-восстановления железной руды (DIOS)".

В первой программе разрабатывается следующая концепция процесса:

1) процесс основывается на плавке в ванне железорудных окатышей и мелкой железной руды вместе с углем, с подачей кислорода в непрерывном процессе с получением полупро­дукта;

2) теплота от последующего горения выделяющихся вос­становительных газов должна быть эффективно возвращена в ванну, а технологические газы утилизируются для предвари­тельного подогрева и восстановления руды.

В основе японской программы DIOS:

1) использование кипящего слоя для предварительного восстановления железорудной мелочи;

2) плавление и восстановление в агрегате с получением чугуна из предварительно восстановленной железорудной ме­лочи;

3) реформирование отходящих газов путем добавки уголь­ной мелочи.

Программа исследований в этом направлении имеется и в России.

К настоящему времени наиболее известны два инженерных решения, доведенные до промышленного использования. Пер­вое решение реализовано на заводе фирмы Искор в Претории (ЮАР) компанией Фест Альпине (VOEST—ALPINE). Разработчики назвали процесс COREX (англ. Coal—Reduction—Experience). Существо процесса Корекс видно из рис. 69. В восстанови­тельную шахту 14 загружают кусковую руду (или агломерат,

Рис. 69. Схема процесса COREX:

1 — железная руда; 2 — известь; 3 — доломит; 4 — уголь; 5 — кокс; 6 — пе­сок; 7 — осушительное устройство; 8 — грохочение; 9 — дробилка; 10 — колош­никовый газ; 11 — отходящие газы; 12 — скруббер колошникового газа; 13 — система подачи угля; 14 — восстановительная шахта; 15 — восстановительный газ; 16 — циклон горячей пыли; 17 — скруббер охлаждающего газа; 18 — охлаж­дающий газ; 19 — Продукты газификации; 20 — плавильный агрегат-газификатор; 21 — кислород; 22 — выпуск металла и шлака

или окатыши, или смесь этих компонентов). Проходя навст­речу току восстановительного газа, материал восстанавли­вается до губчатого железа (до 90 % Fe). Затем губчатое железо шнековым транспортером подается в плавильную гази-фикационную камеру, где осуществляется окончательное вос­становление, плавление и нагрев расплава. Выпуск чугуна и шлака — так же, как и в обычной доменной печи. Средний состав получаемого (в 1993 г.) чугуна, %: 4,24 С; 0,6 Si; 0,33 S; 0,16 Р; температура 1493 °С; выход шлака ~ 0,45 кг/т; расход (на 1 т чугуна): железная руда 1497 кг; уголь 1183 кг; флюсы 424 кг; кислород 588 м³.

Восстановительный газ образуется в плавильно-газификационной камере, где газифицируется уголь (газифи­цирующий агент — кислород). Благодаря высокой температуре под куполом плавильной камеры-газификатора (выше 1000 °С) высшие углеводороды, выделяющиеся из угля, моментально разлагаются на оксид углерода и водород. Таким образом, в камере не образуются такие нежелательные побочные продук­ты, как смолы, фенолы и т.п.

Газ, образующийся в газификационной камере, состоит из СО и Н₂, а также содержит угольную пыль и частицы железа. Мелкая пыль, в основном, улавливается в циклоне горячей пыли 16 и возвращается в газификатор. Специальная кисло­родная горелка дожигает углерод в пыли до СО, а также расплавляет золу и другие элементы в пыли. Газы, выходя­щие из циклона 16, подаются в восстановительную камеру-шахту 14. Здесь происходит восстановительный процесс од­новременно с десульфурацией газа. С учетом добавления ох­лаждающего газа 18 температура восстановительного газа 75 находится в оптимальном интервале 800—850 °С. Газ, выхо­дящий из восстановительной шахты, очищается и охлаждается в скруббере 12 и затем его можно использовать или для производства электроэнергии, или на химических производс­твах, или на расположенных рядом агрегатах твердофазного восстановления железа; последний вариант— предпочтитель­ней. Комбинирование процесса Корекс с прямым восстановле­нием позволяет получить экономичный качественный продукт.

На рис. 70 представлена схема печи ПЖВ другого типа — конструкции МИСиС, установленной на НЛМК. Восстанови­тельная плавка происходит в жидкой шлаковой ванне, проду­ваемой кислородсодержащим дутьем. Источником тепла в про­цессе служит энергетический уголь, он же является восста­новителем. Главной особенностью процесса является одно-стадийность получения чугуна. Она обеспечивается за счет использования принципа дожигания выделяющихся из ванны восстановительных газов в одношлаковом пространстве агре­гата через ряд специальных фурм. При этом происходит воз­вращение большей части тепла от дожигания обратно в шла­ковую ванну для обеспечения протекания реакций восстанов­ления. Физическое тепло отходящих из агрегата газов ис­пользуется в котле-утилизаторе конвертерного типа, и далее охлажденные газы направляются на газоочистку.

В процессе обеспечиваются условия десульфурации, так как до 90 % всей серы шихты уносится отходящими газами в виде S0₂; SOj-, CS; CS₂; COS. Шлак в этих условиях, погло­щая не более 10% S шихты, обеспечивает выплавку кондици­онного по сере чугуна. При основности шлака CaO/Si0₂» 1,0

*

По предложению авторов процесса для международного наименования в ком­мерческих целях процессу присвоен товарный знак — процесс ROMELT — Ромелт (Российская плавка).

а 3 S 8 Я * S f ■*■ ■$ S tl

Р-l Металл ШШ Спокойный шла к Щ.'Э барботируетй и/лак

Рис. 70. Схема установки ROMELT, продольный (а) и поперечный (б) разрезы: / — барботируемый слой шлака; 2 — металлический сифон (отстойник); 3 — шла­ковый сифон (отстойник); 4 — горн с подиной; 5 — переток; 6 — загрузочная воронка; 7 — дымоотводящий патрубок; 8 — фурмы нижнего ряда (барботажные); 9 — фурмы верхнего ряда (для дожигания); 10 — слой спокойного шлака; 12 — водоохлаждаемые кессоны

в нем содержится ~ 2,2 % Fe. Наличие в шлаке заметного содержания оксидов железа обеспечивает удаление до 40 % Р шихты. Содержание кремния и марганца в получаемом чугуне - до 0,10 %. Преимуществом процесса является возможность использования необогащенных железных руд и дешевых энер­гетических углей (такие угли в 2-3 раза дешевле коксую­щихся). Отсутствие операций обогащения железной руды, аг­ломерации, производства окатышей сокращает потери железа (по расчетам на 15—29%).

Самостоятельным направлением процесса жидкофазного восстановления является комплексная переработка железо­содержащих материалов с примесями ценных компонентов (цинка, свинца, ванадия, титана, благородных металлов). Например, успешно перерабатывались железосодержащие шлаки цинкового производства с получением чугуна и улавливанием цинка, шламы ванадиевого производства с получением чугуна и извлечением из него ванадия; большой интерес представ­ляет проблема переработки шламов глиноземного производст­ва с получением чугуна и алюминиевого сырья и т.д.

В России разработки по процессу жидкофазного восста­новления ведутся в соответствии с государственной научно-технической программой "Ресурсосбережение и экологически чистые процессы в горно-металлургическом производстве".

§ 4. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И ОХРАНЫ ТРУДА

Около трех тысяч лет назад возник самый древний способ получения железа — сыродутный процесс. Этот процесс сме­нили другие, более экономичные, более производительные, но связанные с необходимостью иметь промежуточный этап — получение чугуна. Однако идея создания рентабельного про­цесса получения железа непосредственно из руд другими бо­лее совершенными по сравнению с сыродутными способами не умерла.

Всплеск интереса к реализации этой идеи относится к 1931-1934 гг., когда на крупповских заводах в Германии был осуществлен в промышленных масштабах процесс, назван­ный Krupp—Rennverfahren, "крупповский сыродутный процесс" (рис. 66, в). Процесс осуществлялся во вращающихся накл­онных футерованных трубчатых печах, в которые с одной стороны загружали угольную или коксовую мелочь, железную руду, колошниковую пыль и т.д., а с другой стороны (там, где выдавалась готовая крица) были установлены горелки (с сжиганием топливоугольной пыли). Температура в зоне обра­зования крицы достигала 1250-1350 °С. Таких установок в мире в предвоенные и годы второй мировой войны работало несколько десятков.

Практика показала, что низкая производительность и экономичность этих установок и производственные затрудне­ния из-за случаев размягчения кусков крицы, слипания и налипания на стенки агрегата делает их эксплуатацию не­рентабельной.

Кроме установок такого типа определенное распростра­нение получили установки по методу Виберга и завода Хага-нес (Швеция) и некоторые другие.

Все эти способы получили ограниченное распространение. И вот теперь многие фирмы и институты ряда стран ведут интенсивные изыскания в этом направлении. В чем дело? Почему?

1. Возможность получения железа непосредственно из руд меняет в корне всю технологическую цепочку современной металлургии. На рис. 71 схематично показано сравнение обычной технологии получения чугуна и технологии по мето­ду Корекс. При работе агрегата Корекс (или ROMELT, или другого подобного) нет необходимости сооружать коксовые

Рис. 71. Сравнение процессов доменного и COREX

батареи и агломерационные фабрики, нет необходимости затрат на поиски коксующихся углей и получение кокса.

2. Коксохимические предприятия и агломерационные фаб­рики дают наибольшее количество выборосов газов и пыли в атмосферу, потребляют значительные массы воды и занимают большие площади земельных угодий, в экологическом плане — это наиболее неблагополучные отрасли металлургического производства. Условия труда работающих на коксохимическом и агломерационном производствах наиболее тяжелые и вред­ные в черной металлургии.

3. Рациональная технология прямого получения железа позволит эффективно использовать полезные компоненты в природно-легированных рудах.

4. Рациональная технология получения железа непосредс­твенно из руд позволяет решать очень серьезную проблему организации производства чистых от примесей цветных ме­таллов марок стали. В необходимых случаях наличие чистых шихтовых материалов позволяет "разбавлять" состоящую из металлолома "грязную" (по примесям цветных металлов) шихту.

5. Агрегаты жидкофазного восстановления (в частности, типа ROMELT) позвляют эффективно перерабатывать шлаки, шламы и другие отходы, содержащие ценные компоненты.

Сегодня еще трудно предугадать результаты ведущихся во многих странах исследований.

В технологии доменного производства тоже произошли большие перемены: вдувание больших количеств (до 250 кг/т чугуна) пылевидного угля в доменную печь позволяет сокра­тить расход кокса до уровня 300 кг/т; использование обо­гащенного кислородом (до 60-98%) дутья позволяет отка­заться от кауперов, исключив их отрицательное воздействие на окружающую среду, понизить содержание азота в чугуне и повысить теплотворную способность колошникового газа; вдувание горячего высококалорийного колошникового газа (после его очистки от С0₂) а распар доменной печи позво­лит еще более повысить показатели ее работы.

Возможен и такой вариант: сосуществование доменного производства и способов прямого получения железа в зави­симости от конкретных условий в данной стране или регионе.

Часть и.ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ