1. Процессы в шахтных реакторах

   1. Процесс Midrex

Разработанный в 1966 году фирмой Midland-Ross Corporation процесс Midrex в настоящее время используется в 18 странах, где работают 49 агрегатов [6]. Эволюция процесса идет по пути повышения производительности и снижения стоимости продукции. Выделяют 6 следующих этапов развития технологии Midrex, существенно

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа» 4 3

отличающихся технологическими параметрами и технико­экономическими показателями работы агрегатов [6]:

1. й этап: Оригинальная технология. Шихта 100 % окатышей, низкая температура восстановительного газа (780 оС), 1970-е годы.

2. й этап: Использование в шихте кусковой железной руды, 1980-е годы.

3. й этап: Применение технологии опудривания шихтовых материалов - 1990-е годы.

4. й этап: Технология вдувания кислорода в горячий восстановительный газ - конец 1990-х годов.

5. й этап: применение технологии OXY+ - 2000 г.

6. й этап: комбинированная технология, включающая вдувание кислорода и технологию OXY+ - перспектива.

Технология OXY+ обеспечивает генерацию восстановительного газа путем частичного окисления природного газа кислородом (в соотношении 0,5 от стехиометрического) в горелке, установленной в трубопроводе восстановительного газа сразу после реформера. Это дает дополнительный восстановительный газ, позволяет контролировать его состав и температуру и снижает капитальные затраты.

Совместное применение вдувания кислорода и технологии OXY+ позволяет оптимизировать производительность за счет максимальной температуры газа и оптимального его состава.

4 4 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

Схема шахтного реактора Midrex представлена на рис.8

Рис. 8. Схема шахтного реактора Midrex:

1- загрузочный бункер; 2 - верхний динамический затвор;

3 - распределитель окисленных окатышей; 4 - выход колошникового газа; 5 - зона восстановления; б - коллектор восстановительного газа; 7 - верхний постоянно действующий питатель; 8 - выход охлаждающего газа; 9,10- средний и нижний постоянно действующие питатели;

11 - нижний динамический затвор; 12 - устройство для выгрузки металлизованных окатышей; 13- вход восстановительного газа;

14 - зона охлаждения; 15 - вход охлаждающего газа; 16 - распределитель

охлаждающего газа.

На рис. 9 представлены упрощенные схемы подачи восстановительного газа в шахтный реактор Midrex, относящиеся к перечисленным выше этапам развития технологии [6]. Изменение технико-экономических показателей процесса в

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа» 4 5

указанных этапах развития технологии относительно базового этапа представлено в таблице 12 [6].

1-го

Рис. 9. Упрощенные технологические схемы процесса Midrex в различные этапы его

Развития:

A,B,C,D,E - этапы развития технологии, соответственно: 1,3,4,5,6; 1 -реформер;

2 - природный газ; 3 - горячий восстановительный газ; 4 - кислород; 5- шахтный восстановительный реактор; 6 - технология OXY+.

4 6 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

Этапы	Производи­ тельность	Стоимость энергоноси­ телей^).	Расходы
			Кисло­рода (**)	Природ­ного газа	Электро­ энергии
1.	1.0	1.0	0,0	1,0	1,0
2.	1.13	0,957	0.0	0,976	0,885
3.	1.241	0,927	0,0	0,960	0,806
4.	1,368	0,960	0,425	0,969	0,731
5.	1.455	0,997	0,733	0,990	0,687
6.	1,504	1,015	1,00	0,985	0,665

Примечания: (*) - стоимость энергоносителей в базовом варианте: кислород - 42$/т; природный газ 1,85/1.056 МДж: электроэнергия 0,045/кВт.час (**) - расход кислорода в вариантах 4 и 5 отнесен к его расходу в варианте 6. В таблице 13 приведены конкретные технико­экономические показатели процесса Midrex в рассмотренные выше этапы развития технологии [6]. Таблица 13. Эволюция технико-экономических показателей процесса Midrex			Тсхвико-экономнческне показатели работы
Эта­ пы	%ПГ	ТВГ	ТШР	Производи­ тельность	V02	УПГ	Рясход электро­ энергии	Стоимость энергоноси­ телей.
1	4,5	780	789	88,8	0.0	268.6	135	19,65
2.	3,5	850	814	100,3	0,0	262,3	120	19,19
3.	3,5	918	834	110.2	0.0	257,9	109	18,87
4.	4,5	1050	860	121,5	17.5	260,3	99	20,10
5.	3,0	961	857	129,2	30.2	265.8	93	21,28
6.	3,0	1050	898	133,6	41,2	264,6	90	21.83

Примечания:

% ПГ - % природного газа вдуваемого в восстановительный газ перед вводом его в реактор:

ТВГ- температура восспюновителъного газа на входе в реактор. °С;

ТШР - температура шихтовых материалов в реакторе, °С;

Производительность - производительность завода Midrex, т/час;

V02 - расход потребляемого в процессе кислорода. нм³/т;

УПГ - расход потребляемого в процессе природного газа, нм³/т:

Расход электроэнергии - расход потребляемой электроэнергии, кВт.час/т;

Стоимость энергоносителей - стоимость природного газа и кислорода при их ценах: ПГ-1,8 5/1.056 МДж, кислород - 42 5/т.

Повышение производительности шахтных реакторов

Midrex, как видно из приведенных данных, достигается за счет

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

повышения температуры вдуваемого в реактор восстановительного газа. Способствует этому предотвращение спекания окатышей за счет частичной замены их кусковой рудой, а главным образом, за счет накатывания на них порошка СаО и MgO, как при производстве окатышей, так и перед загрузкой их в реактор металлизации. Применение кислорода, вдуваемого в восстановительный газ совместно с природным газом также способствует увеличению температуры и оптимизации состава восстановительного газа. На это же нацелена технология OXY+.

На одном из последних модулей Midrex на заводе IMEXSA (Ispat Mexicana) производительностью 1,2 млн.т/год (диаметр шахтного восстановительного реактора 6,65 м),

пущенном в эксплуатацию в августе 1997 года, при использовании новейших технологических разработок достигнуты рекордные значения производительности (220 т/час при степени металлизации ГЖ 94,2 % и содержании С в нем 2,2 %), удельного расхода природного газа (2,2 Г кал/т) и электроэнергии 85-90 кВт*час/т. Помимо нанесения оксидов кальция и магния на окатыши и вдувания кислорода, на этом модуле применена новая система вдувания восстановительного газа через два ряда фурм, обеспечивающая более равномерное распределение газа и его более высокий расход без локального взвешивания слоя окатышей. Кроме того, на этом модуле применяется вдувание подогретого природного газа в

переходную зону (между зонами восстановления и охлаждения), что улучшает использование тепла и газа в реакторе [13].

Новой разработкой в технологии Midrex является, также, система Midrex Hotlink, нацеленная на энергосбережение в масштабе комплекса "Производство ГЖ - выплавка электростали из ГЖ". Эта система позволяет не охлаждать получаемые в реакторе Midrex металлизованные окатыши и загружать их в электропечь горячими. Учитывая периодичность работы

электропечи и непрерывность работы реактора Midrex, система

4 8 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

предусматривает три возможные потока готовой продукции (рис. 10) [6]:

• загрузка в электропечь ГЖ без его охлаждения после выгрузки из реактора;

• охлаждение ГЖ и выгрузка холодного ГЖ на склад;

• использование в электропечи холодього ГЖ со склада.

Рис. 10. Технологическая cxe.ua Midrex Hotlink:

4 9

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

Показателй качества	Фирмы
	Ispat	ANSDK
		Типичный	Гарантия
Степень металлизации, %	94-96	>92,0	91,5
Общее содержание Fe, %	92-94	>92,0	92,0
Содержание металлическо! о Fe, %	87-90	>85,0	84,2
Содержание {%):
С	1,8-2,5	1,5	1.3
S	>0.003	0,003	<0,01
Р	0,04-0,05	0,035	<0,05
Пустая порола	3.0-4.5	3,7	<4,95
Мелочь {< Змм)	2,0-4,0	<3,0	<5,0
V	0.0004	н.д.	н.д.
Сг	0,0006	Н.Д.	н.д.
Nb	0,0020	и.д.	Н.Д.
Мо	0,0008	Н.Д.	Н.Д.
Sn	0,0009	Н.Д.	Н.Д.
Си	0.008	н.л.	и.д.

5 0 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

2. Процесс HYL

Разработанный мексиканскими фирмами процесс HYL был впервые реализован в 1957 году как процесс в стационарном слое с использованием принципа противоточного тепло- и массообмена (HYL-1), реализуемого путем последовательной продувки находящихся в 3-х стационарных ретортах железорудных материалов (окатышей или кусковой богатой железной руды) горячим (980-1240 °С) восстановительным газом, получаемым путем паровой конверсии природного газа. 4-я реторта в это время используется для разгрузки готового продукта и последующей загрузки железорудного сырья. При расходе природного газа 457-470 м³/т и электроэнергии 6-10 кВт.час/т получали ГЖ со степенью металлизации 84-88 % [12]. Современный вариант процесса HYL-LII реализуется в противоточном шахтном реакторе (рис. 11), аналогичном реактору Midrex. Концептуальная технологическая схема процесса (рис.12.) предусматривает использование восстановительного газа с повышенным содержание водорода (70-87%), высокого избыточного давления в реакторе (более 550 кПа) и высокой температуры в зоне восстанов тения (более 920 °С) [16]. Типичной шихтой для процесса HYL-III является смесь окатышей (70%) и кусковой железной руды (30 %). Расход железорудных материалов на 1 т ГЖ со степенью металлизации 94% и содержание С 2,2% составляет 1,45 т.

5 /

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

*

»«с

Рис. 11. Схема процессов в шахтном реакторе HYL-II1:

1 - холодное или горячее ГЖ, (ге мет. + Fe.C); 2 - температура > 920 °С; 3 - давление ^> 5.5 ати; 4 - восстановительный газ; J - колошниковый газ; б - железная pvda;

7 - восстановление; 8 - науглероживание.

Типичные пределы по химическому составу (%) железорудных материалов, используемых на заводах в процессе HYL характеризуются следующими цифрами [16]:

Fe общее Пустая порода Р S

(SiOj+AlA)

65-69 %;

1,4-7,0%; 0,01-0,1; 0,001-0.05; 1,1-4,0;

5 2 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

Компоненты	Окатыши, %		Железные руды,		%
	А	В		А		В
Fe общ	68,0	67,80		68,10		67,50
FeO	0,10	0.60		1.61		1.15
СаО	0,70	0,52		0,44		0,50
MgO	0,30	0,57		0,10		050
Si02	1,08	1,56		0,47		1.00
AljOj	9,60	0,34		1.24		1,00
s	0,003	0,005		0.002		0,007
p	0,018	0,023		0,030		0,030
Прочие	0,09	0,12		0,030		0,09
п.п.п	-			0,50		0,50
Пустая порода	2,79	3.13		2,82		3,62

На заводах HYL применяются окатыши и железные руды, производимые следующими фирмами (табл. 16): Таблица 16. Окатыши и железные руды, используемые на заводах HYL. Окатыши		Руда
Фирма	Страна	Фирма	Страна
GILL	Бахрейн	Feijao	Бразилия
CVRD	Бразилия	Ferteco	Бразилия
Samarco	Бразилия	MBR-LORD	Бразилия
CMP	Чили	MCR-Corumba	Бразилия
Essar	Индия	Mutuca	Бразилия
KIOCL	Индия	SARD-SAMITR1	Бразилия
Mandovi	Индия	Bail&dila	Индия
Alzada	Мексика	G.G Brothers	Индия
IMEXSA	Мексика	Mineral Sales	Индия
P Colorada	Мексика	NMDC	Индия
Sicarisa	Мексика	P,Parties	Индия
Hierro Peru	Перу	Belitung	Индонезия
Леб ГОК	Россия	Aquila	Мексика
LKAB	Швеция	Sishen	Южная Африка
SIDOR	Венесуэла	ElPao	Венесуэла
Corrego	Бразилия
Esperanca

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа» 5 3

		А			В			С
Статьи расхода	Рас­ ход	Це­ на	Стои­ мость	Рас­ ход	Цена	Стои­ мость	Рас­ ход	Це­ на	Стои­ мость
Окатыши, т	1.42	42,0	59,64	1,02	42,0	42,84	-	-	-
Руда, т	-	-	-	0,43	37.0	15,91	1.5	18,0	27.0
Природный газ, Гкал	2.4	8,75	21,0	2,4	8,75	21,0	2,5	8,75	21,88
Электричество, кВт.ч	70,0	0,03	2,10	70,0	0,03	2,10	80	0.03	2,4
Вода, м1	1,5	0,20	0,30	1,5	0,20	0,30	1,6	0,2	0,32
Прочие расходы Себестоимость, $/т	“	*	7,00 90,04		“	7,00 89,15			8.0 63,10

В варианте С используется дешевая железная руда, при восстановлении которой образуется много мелочи, что требует обязательного брикетирования получаемого продукта и увеличивает величину эксплуатационных затрат. В случае производства окатышей и ГЖ из них на одном и том же предприятии себестоимость ГЖ снижается до уровня 71,58 $СИ1А/т [16].

Качественные характеристики ГЖ процесса HYL варьируют в следующих пределах (%):

Степень металлизации 92,0-95,0

Содержание углерода 1,1 - 5,0

Содержание Fe общ. 84,0-95,0

Содержание Fe мет. 80,0-90,0

Пустая порода 1,90-9,0

Содержание Р 0,013-0,14

Содержание S 0,001 -0,07

5 4 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

Процесс позволяет получать при необходимости содержание С в ГЖ до 5%. В этом случае до 90% его находится в продукте в виде карбида.

Для предотвращения спекания кусков руды в процессе их металлизации используют опрыскивание загружаемой руды цементно-водяной суспензией с расходом цемента (или альтернативного материала) 4-6 кг/т руды.

Один из самых мощных заводов HYL - IMEXSA HYL имеет 4 шахтных реактора и два реформера. При номинальной мощности 2 млн. т ГЖ в год завод производит 2,2-2,3 млн.т/год [16].

Значительное повышение экономической эффективности производства ГЖ в шахтных реакторах HYL достигается за счет новой технологии получения восстановительного газа, а именно - процесса самореформинга природного газа разработанного фирмой Ну1 с участием фирмы Sidor/Danieli (прежний процесс Агех). Первый промышленный агрегат HYL без реформера был пущен в апреле 1998 года в Монтеррее (Мексика) на заводе Hylsa 4М. Первоначальная годовая мощность реактора 675 000 т ГЖ в год может быть увеличена до 1,5 млн. т/год. Кроме процесса самореформинга на этом заводе реализована высокотемпературная пневматическая транспортная система (Hytemp Pneumatic Transprt System) для подачи горячего науглероженного ГЖ непосредственно из реактора HYL в расположенную рядом электросталеплавильную печь.

Модуль HYL на заводе Hylsa 4М включает восстановительный реактор и контур восстановления. Восстановительный реактор является типовым реактором HYL с разгрузкой горячего ГЖ и включает две зоны. Верхняя восстановительная зона имеет форму цилиндра. Здесь осуществляется процесс восстановления оксидов железа, и идут реакции реформинга природного газа. Нижняя коническая зона снабжена роторным разгрузочным клапаном, регулирующим

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа» 5 5

скорость потока твердых материалов внутри реактора. Контур восстановления включает все необходимое оборудование для обработки и кондиционирования технологического газа. Технологическая схема модуля HYL представлена на рис. 12 [17]. Стартовой позицией в контуре восстановления является подача подпитывающего потока природного газа в поток рециркулирующего газа. Смесь этих газов увлажняется паром до необходимого уровня, который регулирует содержание углерода в ГЖ. Затем увлажненная смесь газов подогревается в рекуператоре, а затем нагревается в газонагревателе до температуры более 900 °С. В газопровод, подающий нагретый газ в реактор, вдувается кислород для частичного окисления природного газа и нагрева газовой смеси до температуры 1020 оС, с которой он поступает в нижнюю часть восстановительного реактора. Газовая смесь, поступающая сюда, содержит около 30 % СН₄ и контролируемое содержание С0₂ и Н₂0. В этой части реактора идут процессы самореформинга природного газа, окончательного восстановления железорудных материалов до ГЖ и науглероживания ГЖ. Свежевосстановленное ГЖ в этой зоне играет роль катализатора для реакций реформирования природного газа. Образующиеся в процессе восстановления FeO до Fe окислители (С0₂ и Н₂) используются в процессе реформинга природного газа, генерируя СО и Н₂, которые снова используются в реакциях восстановления. Процесс науглероживания ГЖ не снижает его каталитических свойств. Регулируя содержание окислителей (С0₂ и Н₂0) в газах на входе в реактор, можно легко контролировать содержание углерода в ГЖ. Колошниковый газ из реактора охлаждается в рекуператоре, а затем очищается в скруббере, где одновременно из газа удаляется часть водяных паров. Часть газа после очистки удаляется из контура восстановления для контроля давления в реакторе. Оставшийся газ очищается от С0₂ процессом коротко-

5 6 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

цикловой адсорбции и подается на смешивание с природным газом [17].

На выходе из восстановительного реактора через роторный разгрузочный клапан металлизованные окатыши самотеком за счет силы тяжести могут направляться по трем направлениям: в накопительный пробоотборный бункер, к устройству пневмотранспорта ГЖ до внешней системы охлаждения и к устройству пневмотранспорта ГЖ в электросталеплавильную печь. В шахтный охладительный агрегат системы охлаждения металлизованные окатыши подаются по трубопроводу (пневмотранспортом). Охлаждение окатышей производится газом в противотоке (рис. 13).

Рис. 13. Внешняя система охлаждения модуля Hytsa 4М:

1 - холодное ГЖ; 2 - горячее ГЖ; 3 - система пневмотранспорта; 4 - охладитель;

5 - компрессор; б - оросительное сужающее устройство; 7 - скруббер; 8 - тушильная башня; 9 - газ к системе пневмотранспорта.

5 7

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

Для электросталеплавильной печи горячие мегаллгоованные окатыши по трубопроводу транспортирующим газом подаются в загрузочный бункер, расположенный над электропечью. Транспортирующий газ очищается в скруббере и направляется в газонагреватель для нагрева до температуры 600 °С посте чего он снова используется для транспортировки горячих металлизованяых окатышей к ДСП.

В течение первого года работы производительность завода Hylsa 4М составила более 400000 т. В 1999 году производительность составила 702600 т/год при средней степени металлизации ГЖ 94 % и среднем содержании углерода в нем 4,03 %. Процесс самореформинга позволяет легко контролировать содержание углерода в ПК в пределах от 2,2 до 5,5 %. По опыту работы заводов фирмы HYLSA 1 кг углерода в ПК экономит 2,5 кВт часа электроэнергии в электроплавке. Эго означает, что увеличение содержания углерода в ПК на 2% (абс.) привод ит к экономии 50 кВт часов электроэнергии. Величина экономии зависит от того, в каком виде присутствует углерод в ПК Максимальная экономия достигается в случае, когда углерод находится в ГЖ в виде карбида (FejC), так как часть сажистого углерода в ГЖ в процессе плавления может окисляться. С ростом содержания углерода в ГЖ с 2 до 6,0 % доля углерода в виде карбида в ГЖ уменьшается с 96 - 98 % до 78 - 85 %. Повышение содержания углерода в ГЖ повышает его стоимость еще и в связи с тем, что углерод ГЖ является абсолютно чистым и не содержит ни летучих веществ ни золы, содержание которых снижает цену углеродсодержащих материалов, используемых в элс; проплавке.

Эффективность использования энергии на заводе Hylsa 4М иллюстрируется диаграммой на рис. 14. При общем расходе энергии 2,2 Гкал/т ГЖ полезно расходуется 1,91 Гкал/т, т.е. эффективность использования энергии в процесс составляет 87 %, что намного превышает эффективность использования энергии в большинстве процессов производства ГЖ, используемых в мире, где она составляет только около 70 %. Высокая эффективность использования энергии в

5 8 «Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа»

процессе HYL на этом заводе достигается за счет минимизации расхода газа на сжигание (0,7 Гкал/т ГЖ, при 1,2 - 1,5 Гкал/т в других процессах), за счет высокой химической энергии ГЖ (высокое содержание углерода и высокая степень металлизации ГЖ), а также за счет высокою теплосодержания ГЖ [17].

ъ

о»

Рис. 14. Баланс энергии на заводе Hylsa 4М (Гкал/т ГЖ):

1 - общий расход природного газа - 2.198: 2 - расход природного газа на процессы - 1,97; 3 - расход природного газа как топлива в газонагревателе - 0,228; 4 - процесс получения ГЖ в реакторе; S - испарение - 0,2; 6 - дымовые газы - 0,067;

7 - теплосодержание ГЖ -0,096; 8 - энергия, затраченная на получение ГЖ -1,815,

9 - отходящие газы, используемые в качестве топлива в газонагревателе - 0,228.

Применение технологии самореформинга в процессе HYL приводит к увеличению расхода кислорода на 50 мУг ГЖ, но сокращает расход природного газа на 5-10 %. Кроме того, капитальные затраты на строительство модуля сокращаются на 5-10 % [4].

3. Процесс K1NGLOR METOR

В отличие от получивших наибольшее распространение и занявших доминирующую позицию в производстве ГЖ процессов Midrex и IIYL, в которых в качестве исходного топлива используется природный газ, в процессе KINGLOR METOR в качестве топлива применяется уголь, хотя процесс реализуется в шахтном реакторе. Процесс является некоторым развитием тигельных процессов производства ГЖ, в отличие от которых слой смеси железорудных материалов и угля в процессе KINGLOR METOR является движущимся. Процесс разработан в И: алии в 70-х годах и установка производительностью 40000 т/г ГЖ работает на

«Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа» 5 9