2
Рис.43.
Схема пилотной установки FINEX
производительность ISO
т/сутки:
1
- охлажденное
ГЖ; 2 - избыточный газ; 3 - окатыши'руда■
4 - мелкая руда. 5
- уголь.
6
- чугун и шлак.
Разработанный
в Московском государственном институте
стали и сплавов под руководством
профессора В.А. Роменца, одностадийный
процесс жидкофазного восстановления
неподготовленных железосодержащих
материалов с использованием в качестве
восстановителя энергетических углей
(процесс РОМЕЛТ) осуществляется в
плавильно- восстановигельной печи
прямоугольного сечения (рис.44), работающей
с небольшим разрежением в рабочем
пространстве, исключающим выбросы
газов в атмосферу.
В
плавильно-восстновительной печи РОМЕЛТ
имеют место все четыре укрупненные
зоны, характерные для одностадийных
процессов жидкофазного восстановления
и кратко описанные выше, а именно:
металлическая ванна, шлаковая
барботируемая ванна, зона дожигания и
зона свободного пространства в верхней
части плавильно- восстановительной
печи. Разработчики процесса РОМЕЛТ
разделяют, шлаковую ванну на три зоны
в соответствии с особенностью протекающих
в них процессов, и выделяют, таким
образом в плавильно-восстановительной
печи 5 зон, не считая зоны свободного
подкупольного пространства печи
[55,56]:
«Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа» 1
2
9
6.1.3. Процесс ромелт
1.3она
спокойного металла (температура
1350-1400 оС) в горне печи, где происходит
накопление металла и окончательно
формируется его состав в реакциях между
чугуном и расположенным на нем слоем
относительно спокойного шлака:
(FeO)
+ [С] = [Fel + СО;
[FeS]
+ [С] + (СаО) = [Fe] + (CaS)
+ СО.
Зона
спокойного шлака (температура 1400-1450
°С) под уровнем барбогажных фурм. В
этой зоне происходит каолесценция
капель металла, их стекание через слой
шлака в металлическую ванну и реакции
между шлаком и металлом, формирующие
окончательный состав чугуна:
(FeO)
- [С] = [Fe] + СО;
[FeS]
+ [С] + (СаО) = [Fe] + (CaS)
+ СО.
Нижняя
часть зоны барботируемого шлака
(температура
1450-1500 °С),
расположенная непосредственно над
барботажными
фурмами. В этой зоне идут многочисленные
теплообменные и физико-химические
процессы, а именно горение частиц
твердого топлива, диссоциация гематита,
плавление частиц руды, растворение
углерода в металле, восстановление
оксидов железа из жидкого шлака
углеродом, окисление серы из шлака
кислородом и десульфурация металла
шлаком:
3Fe203
—> 2Fe304
—> 6(FeO) + 1,502
Ств.
+ 02 = С02;
Ств.
+ С02 = 2СО
(S)
+ 02 + S02;
Ств.
--> [С];
(FeO)
+ Ств. = [Fe] + СО;
[С]
+ (FeO) = [Fe] +
СО;
СО
+ (FeO) = [Fe] +
СО,;
[FeS]
+ (СаО) + Ств. = (CaS) + [Fe]
+- СО.
Верхняя
часть барботируемого слоя шлака с
температурой 1500-1550 °С (поверхностный
слой). В этом слое идет пиролиз и
деструкция угольных частиц, выделение
и
I
3 0 «Состояние
и перспективы бездииенной металлургии
железа»
разложение
летучих веществ угля, испарение и
разложение влаги, газификация углерода
и частичное его окисление, образование
частичек полукокса, диссоциация
гематита, расплавление железорудных
материалов и флюса и переход их в
шлаковую фазу. Здесь восстанавливаются
оксиды железа и идет реакция науглероживания
чугуна. Из этой зоны происходят
интенсивные выплески шлака вверх, в
зону дожигания. Основные химические
реакции в этой зоне следующие:
СпНт
—> Сгр. = Н2;
Ств.
+ О-, = СОд Ств. + С02 = 2СО;
Ств.
+ Н,0 = Н-, + СО;
Н20
+ Ств. = СО + Н2 3Fe203
—> 2Fe304
—> 6FeO;
Ств.
+ (FeO) = [Fe] + СО
СО + (FeO) = [Fe] +
C02;
[C]
+ (FeO) = [Fe] + CO;
Ств.
—> [C]
Зона
дожигания (1750-1850 °C). В
этой зоне выделяется основное количество
тепла в результате окисления СО до С02
и Н2 до Н20 и идет интенсивная
теплопередача от газовой фазы шлаку
за счет конвективного теплообмена и
излучения. В этой зоне происходит также
частичное окисление мелких частиц
угля, выносимых потоком газа:
2СО
+ 02 = 2СО,;
2Н2
+ 02 = 2Н20;
Н20
+ СО = Н2 = С02;
Ств.
+ 02 = С02;
Ств.
+ С02 = 2СО Ств. + Н20 = СО + Н2
«Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа» I
3 I
ОгжоД*ч**^
ruu
3*т>г**» руды
«
*тг»
ЦГГМ
Рис.44.
Схема агрегата РОМЕЛТ:
В
плавильно-восстановительной печи
РОМЕЛТ над зоной дожигания существует
относительно высокое свободное
подкупольное пространство, в котором
происходит погашение энергии взлетающих
капель шлака, снижение скорости
выделяющегося дыма, за счет которого
уменьшается вынос мелочи загружаемых
материалов с отходящим газом.
Процесс
РОМЕЛТ отрабатывался на пилотной
установке с площадью пода 20 м2.
За период 1985-1998 гт. было проведено более
40 кампаний, во время которых выплавлено
более 40000 т чугуна. В опытных плавках
использовали самые различные природные
и техногенные железорудные материалы,
а в качестве топлива - различные
энергетические угли с широким диапазоном
содержания летучих веществ и золы.
Получаемый чугун по содержанию углерода
и серы мало отличался от доменного
чугуна, но практически не содержал
кремния и других трудно восстановимых
элементов. Содержание фосфора в чугуне
Ромелт зависит от содержания закиси
железа в шлаке, которое варьирует в
пределах 1,5-3,0 %. Фосфор в процессе РОМЕЛТ
лишь частично (на 20-30 %) переходит в шлак.
Плавки на пилотной установке показали
широкие возможности процесса РОМЕЛТ
по утилизации металлургических и других
отходов, например
I
3 2 «Состояние
и перспективы безОоменной металлургии
железам
пластмасс,
без их специальной подготовки к
переработке, как это требуется, например,
для вдувания пластмасс в доменные печи.
В процессе Ромелт успешно перерабатывались
отходы, содержащие до 7,6 % Zn
и 0,86% РЬ, а также щелочные элементы
в форме хлоридов и оксидов.
Температурно-восстановительные условия
в рабочем пространстве
плавильно-восстановительной печи
РОМЕЛТ обеспечивают удаление этих
металлов и части щелочей из ванны и
возможность их улавливания в системе
газоочистки.
В
настоящее время в рамках контракта
между Тяжпромэкспортом, МИСиС и
Национальной горной корпорацией Индии
(NMDC) реализуется проект
строительства завода с полным циклом,
выплавка чугуна в котором будет
осуществляться в агрегатах РОМЕЛТ,
производительностью 0,3 млн.т/год.
[49,57]. Основными концептуальными
характеристиками промышленного
модуля РОМЕЛТ, обеспечивающими
оптимальные условия для выплавки
металла в печи и максимальное использование
избыточного тепла отходящих газов
являются:
барботирование
жидкой шлаковой ванны струями
кислородо-воздушной смеси;
дожигание
выходящих из жидкой ванны
плавильновосстановительной печи
газов кислородом;
водяное
охлаждение стен шлакового пояса;
неконцентрированная
непрерывная загрузка материалов в
плавильно-восстановительную печь.
Для
удовлетворения запросов различных
клиентов проектными организациями
России разработаны модули РОМЕЛТ
производительностью (тыс. т/год): 100-150
- модуль А; 250-300 - модуль В; 450-500 - модуль
С, рассчитанные на использование
индийских руд с содержанием железа
63-65 % и смеси (50:50 %) индийских бедных и
африканских богатых углей. Разработанные
модули (рис. 45) предусматривают применение
получаемого чугуна как непосредственно
в сталеплавильном цехе, так и в качестве
товарного чушкового чугуна. Побочным
«Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа» 1
3 3
продуктом
процесса является гранулированный
шлак и энергетический пар. В состав
модулей входят [57] следующие основные
агрегаты:
плавильно-восстановительная
печь РОМЕЛТ;
высокотемпературный
подогреватель ковшей;
установка
приречной грануляции шлака;
котел-утилизатор;
система
деминерализации воды;
испарительная
система охлаждения;
бункера
для хранения материалов и система
подачи материалов к бункерам,
система
газоочистки.
22 23
Рис.
45. Технологическая схема промышленного
модуля РОМЕЛТ:
1
- в кислородно-конвертерный и
эяектро-сталеплавилъный цехи: 2 - на
разливочную
машину; 3 - техническая
вода; 4 - вода к водяному теплообменнику;
5 - резервуар
потребляемой воды; 6 -
чугун;
7 - гранулированный
шлак; 8 - шлак; 9 - кислород;
10
- сжатый воздух; II- бак-сепаратор
испарительной системы охлаждения;
12
- печь РОМЕЛТ; 13 - шихтовые бункера; 14 -
деминерализованная вода; 15 • грубая
пыль;
16 - тонкая пыль; 17 -со склада: шламы,
уголь, известняк; 18 - теплообменник-
парогенератор;
19 - циклон-пылеуловитель; 20 - электрофильтры;
21 - вентилятор:
22 - электрогенератор;
23 - паровая турбина; 24 - пар; 25 - дымовые
газы.
«Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа»
1
3 4
Характеристики |
|
Модули |
|
|
А |
В |
С |
Плявнльно-восстановнтпьная лечь РОМЕЛТ |
|
||
Число печей |
1 |
1 |
2 |
Площадь пода. м: |
12 |
23 |
2x23 |
Удельная производительность. т/м:*сутки |
30 |
32,3 |
32,3 |
Средняя температура чугуна на выпуске, °С Потребление материалов, т/сутки: |
1450 |
1450 |
1450 |
руды |
576 |
1176 |
2352 |
угля |
504 |
1008 |
2016 |
извести |
72 |
172,2 |
254.5 |
Выход шлака, т/сутки |
160,8 |
331,2 |
662,4 |
Выход печных газов, тыс. м3/час |
37 |
76 |
152 |
Расчетная степень дожигания, % |
58 |
58 |
58 |
Температура газов, °С |
1700 |
1700 |
1700 |
Состав газов (%): СО - 25,3; СО; - 35,3; Н2 |
-3,4; Н20 - 21,3; N |
И.7 |
|
Содержание 02 (%) в дутье нижних фурм |
60 |
60 |
60 |
Расход 02 (95%) в нижние фурмы, тыс.м’/час |
3,5 |
7,5 |
15 |
Расход 02 в верхние фурмы, тыс.м3/час 9,54 Котел-утилизатор |
19,8 |
39,6 |
|
Количество газов на выходе, тыс.м3/час |
55 |
110 |
220 |
Средняя температура, °С |
210 |
210 |
210 |
Содержание влаги, г/м3 |
140 |
140 |
140 |
Химсостав газов (%): |
С02- |
42.2; 02 - 2.4; N2 - |
55.4 |
Паропроизводктельш-сть котла, т/час |
85 |
170 |
340 |
Давление пара, МПа |
4 |
4 |
4 |
Температура пара, °С |
440 |
440 |
440 |
Система испарительного охлаждения |
|
||
Количество уносимого тепла, Гкал/час |
- |
15 |
30 |
Паропроизводительность, т/час |
- |
20 |
40 |
Давление пара, МПа |
- |
1,5 |
1,5 |
Температура пара, “С Система газоочистки |
350 |
350 |
|
Выход газов после очистки, тыс.м3/час |
130 |
275 |
550 |
Температура газа после очистки, "С |
170 |
170 |
170 |
Содержание пыли в газе после очистки, мг/м3 |
50 |
50 |
50 |
Некоторые
расчетные характеристики модулей
РОМЕЛТ и потребляемых материалов
приведены в таблице 35 [57].
«Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа» J
3 5
Продукция н потребляемые материалы |
П роизводнте.1 ь н ость, млн. т. год |
Характеристики продукции и расходуемых материалов. |
|||
|
А |
В |
С |
|
|
Жидкий чугун |
0,12 |
0,25 |
0.5 |
Состав чугуна,%:С-4,5; Si-0.1; Mn-0,1; S-0,06; Р - 0,02%; Температура: 1400-1500 °С. |
|
Гранулированный шлак |
0.053 |
0,11 |
0,22 |
(CaO/SiO2)=0,8; размер 0-3 мм; насыпная масса - 1,1-1,3 т/м3; влажность до 10%. |
|
Пар |
0,68 |
1.S |
3.0 |
Котел-утилизатор: давление 4 МПа; температура 440 “С. Испарительная система охлаждения: давление 1,5 МПа, температура 350 “С. |
|
Железная руда |
0,19 |
0,395 |
0.79 |
FejOj - 90-93% ; SiO, - до 1,75% Al3Oj - до 1,75%; влага - 4%; крупность 0-20 мм. |
|
Уголь (Индия) |
0,0825 |
0,168 |
0,336 |
Крупность 0-40 мм; Снел.-45,0%; зола-23%; лстучие-27%; S-1,0%. |
|
Уголь импортный |
0,0825 |
0,168 |
0,336 |
Крупность 0-40 мм; Снел.-55,0%; зола-13.5%; летучие-27,5%; S-0,64% |
|
Известь |
0,021 |
0,043 |
0,086 |
(CaO+MgO)>90%; SiOr7,5%; С02 - 2,5% крупность < 10 мм. |
|
Кислород, |
109 |
303 |
448 |
Содержание 02 > 90%; давление - 0,4-0,5 Мпа. |
|
млн.м’ |
|||||
Сжатый возду х млн.м1 |
38 |
83,1 |
150 |
Давление > 0,4-0,5 Мпа; точка росы - минус 30- 40°С |
|
Азот, тыс.м’ |
200 |
360 |
720 |
Содержание N2- 97-98%; давление - 3-5 кПа. |
|
Мазут, тыс. т |
1.8 |
5.6 |
7,5 |
Теплота сгорания-10200 ккал/кг; содержание S < 4,5 %; давление - 0.5-0.6 МПа; температура > 80- 90 *С. |
|
Техническая рецнркули- |
10 |
12,8 |
20 |
Давление - 0,25-0,40 МПа; взвешенные частицы < 20 мг/л; pH -7,5-8,0; жесткость < 6.4 мг/л |
|
руемая вода млн.м3 |
|||||
Деминерализованная вола, млн.м’ |
0,8 |
2,0 |
3.5 |
Давление: для котла-5,6 МПа, для системы охлаждения -2,5; pH < 8,5;жесткость < 5 мг/л; растворенный 02 - 20 мг/кг. |
|
Электроэнергия, млн. |
12 |
21.3 |
35 |
Два кабеля в свинцовой оболочке на напряженке 6,6 кВ от двух независимых источников. |
|
кВт* час |
|||||
1
3 6 «Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа»
Величины, единицы измерения |
Значения для модулей А, В, С |
РАСХОД |
|
Железная руда, кг |
1580-1585 |
Уголь. кг (Индия) |
1345-1375 |
Известь, кг |
170-175 |
Кислород, м3 |
895-910 |
Сжатый воздух, м3 |
300-315 |
Деминерализованная вода, м3 |
6.5-7.0 |
Электроэнергия, кВт*чае |
70-100 |
Производство |
|
Жидкий чугун, кг |
1000 |
Гранулированный шлак, кг |
440-445 |
Пар энергетических параметров, т |
5,5-6,0 |
Возможное производство электроэнергии, кВт*час/т. жидкого чугуна: Всего |
|
Избыточная энергия на сторону |
1100-1200 420-650 |
По
мнению индийских специалистов процесс
РОМЕЛТ может эффективно использовать
имеющиеся значительные запасы мелких
железорудных материалов, мало пригодных
для подготовки к доменной плавке при
относительно низкой стоимости получаемого
чугуна. Согласно упрощенному расчету
(таблица 37) себестоимость чугуна РОМЕЛТ
в условиях Индии в зависимости от
степени дожигания газов (СДГ) в
плавильновосстановительной печи и
используемых углей может составлять
от 82 до 101 $ US /т чугуна
[58, 59].
«Состояние
и перспективы бездомениой металлургии
железа» I
3
7
Статьи расхода |
Местный уголь (МУ) СДГ, % |
Импортный уголь (14У) СДГ, V. |
|||
|
50 |
60 |
70 |
60 |
70 |
Мелкая руда |
11 |
И |
И |
11 |
11 |
Мелкий уголь |
55 |
50 |
44 |
66 |
58 |
Кислород |
58 |
57 |
55 |
50 |
48 |
Известь |
14 |
13 |
12 |
8 |
7 |
Вода и присадки |
5 |
5 |
5 |
э |
3 |
Огнеупоры н прочие |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
Продажа электроэнергии |
-122 |
-96 |
-71 |
-93 |
-65 |
Продажа гранул ироввхн ого |
-3 |
-3 |
-3 |
-2 |
-2 |
шлака Фиксированные затраты: кредит. 16% |
34 |
29 |
25 |
28 |
23 |
амортизация, 4,75 % |
15 |
13 |
11 |
12 |
10 |
ремонт и обслуживание. 3 % |
10 |
8 |
7 |
8 |
6 |
зарплата |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
Себестоимость |
82 |
92 |
101 |
95 |
104 |
Выработка электроэнергии. |
1820 |
1465 |
1140 |
1425 |
1060 |
кВт*час/т Потребность: модуль Ромелт |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
Блок Оа и прочие |
125 |
ПО |
100 |
ПО |
100 |
Электричество на продажу |
1595 |
1255 |
930 |
1215 |
850 |
При
сравнении потребления энергии
различными процессами (РОМЕЛТ, COREX,
доменная печь и мини-доменная
печь) для условий Индии процесс РОМЕЛТ
выигрывает только у процесса COREX
и приближается к доменному
процессу в мини- доменной печи (таблица
38 [59]).
Таблица
38. Энергозатраты на выплавку чугуна
различными процессами,
ГДж/т
жидкого чугуна. |
РОМЕЛТ |
COREX |
Доменняя печь |
Мини-доменная печь |
|
М.У. |
И.У. |
И.У. |
И. кокс |
И. кокс |
|
Уголь |
32,65 |
27,21 |
32,33 |
- |
- |
Кокс |
- |
- |
- |
20,50 |
24,07 |
Кислород |
1.35 |
1.18 |
0,94 |
0,04 |
0,0 |
Всего |
34.0 |
28,39 |
33,17 |
20,54 |
24,07 |
Потребляется на процесс |
23,95 |
17,92 |
19,04 |
15,16 |
16,34 |
Продажа или рециклинг |
10.05 |
10.47 |
14.13 |
5,38 |
6.70 |
«Состояние
и перспективы бездоменной металлургии
железа»
I
3 8