3 Процесс Окси-Кап (Оху-Сuр)
Процесс (Оху-Сuр - Oxygen Cupola) или технология плавки в агрегате, иногда именуемым «кислородная вагранка», создан специально для переработки пыли и шламов агломерационного, доменного и сталеплавильного производства, скрапа различного происхождения, замасленной и незамасленной окалины, шламов прокатных цехов, мелкой руды, а также для плавки горячебрикетированного и губчатого железа. Основное предназначение этого процесса связано с утилизацией отходов металлургических технологий. Отличительной особенностью процесса Окси-Kan является возможность переработка отходов с высоким содержанием цинка. Такие отходы формируются в виде пыли при доменной плавке, в электросталеплавильном производстве, при разделке автомобильного лома.
Первоначально значительное внимание было уделено проблемам подготовки шихты, а именно - разработке технологии получения углесодержащих самовосстанавливающихся брикетов -С - брикетов («С - Brick»). В итоге было признано, что наиболее удачными по физическому состоянию и прочности компонентами шихты являются шестигранные брикеты высотой 110 мм. Для приготовления брикетов использовали пыли и шламы доменного производства, пыли конвертерного и электросталеплавильного производства, окалину прокатных цехов, магнитные фракции шлака после десульфурации и другие железосодержащие компоненты. В качестве восстановителя использовали уголь, коксик, антрацит, нефтяной кокс. Пластическая масса при изготовлении брикетов включала воду и цемент. После тщательного смешения всех компонентов шихты и формирования брикетов их упрочнение происходило на воздухе, т.е. безобжиговым способом.
Технологическая схема технологии Окси-Кап (Оху-Сир) приведена на рис. 4. Основной агрегат в этой технологии представлен кислородной вагранкой - 8. Загрузка шихты, состоящей из углесодержащих самовосстанавливающихся брикетов - 1, скрапа - 6, кокса и флюсующих добавок - 7, осуществляется через колошник. Отбор колошникового газа организован ниже уровня загрузки, благодаря чему снижается вынос пыли.
Рисунок 4 – Технологическая схема процесса Окси-Кап (Оху-Сuр):
1 – углеродистый самовосстанавливающийся брикет; 2 – пыли и шламы; 3 – агломерационная машина; 4 – доменная печь; 5 – конвертер; 6 – скрап; 7 – кокс и добавки; 8 - Окси-Кап (кислородная вагранка); 9 – воздушное дутье; 10 – кислород; 11 - система очистки газа; 12 – свеча; 13 – смеситель доменного и коксового газов; 14 – воздухонагреватель; 15 – воздуходувка; Ш – шлак; Ч – чугун; ВГ – ваграночный газ
Загрузка брикетов, автомобильного лома (не более 300 мм), пакетированного лома (не более 400 мм) литейного скрапа (не более 400 мм), плавильного лома (не более 1000 мм), кускового кокса и флюсующих добавок обеспечивает хорошую газопроницаемость шихты при равномерном распределении газа по поперечному сечению печи и благоприятные условия не только для газификации углесодержащих компонентов в брикетах, но и для восстановления оксидов железа и других металлов. С целью уменьшения расхода кокса плавку проводят на литейном коксе крупностью 90-150 мм.
Общее время пребывания шихты до расплавления составляет около 1,5 ч, причем большую часть этого времени затрачивается на нагрев шихты до 1000°С. Дальнейший нагрев шихты и расплавление ее металлической части требует не более 20 мин. В этом интервале температур и времени протекают все основные физикохимические процессы:
которые завершаются при температуре примерно 1450 °С. Получаемый чугун содержит углерода от 3,2 до 4,5% при среднем значении 4,0%, кремния от 0,2 до 1,2% при среднем значении 0,6% и серы от 0,05 до 0,5% при среднем значении 0,1%. Содержание этих элементов определяются химическим составом составляющих шихты, путем подбора которых можно влиять на состав чугуна. Чугун указанного состава обычно используют при производстве стали в конвертерах и дуговых электросталеплавильных печах.
Описанные условия переработки отходов обеспечиваются при подаче в вагранку воздушного дутья подогретого до 620°С в воздухонагревателе - 13, рекуперативного или регенеративного типа и кислорода. Рассматривается также возможность подогрева воздуха в плазменных генераторах. Соотношение воздушного дутья к кислороду 7:1. Применение кислорода особенно при его подаче со сверхзвуковыми скоростями позволяет создать в коксовой постели поле высоких температур, обладающего значительным запасом тепла, компенсирующего тепловые эффекты эндотермических реакций. В последнее время система подачи дутья и кислорода дополнена горелками, установленными выше воздушных фурм и использующими природный газ в смеси с воздухом. Подобная комбинация широко применяется в доменных цехах. В технологии Окси-Кап применение природного газа обеспечило энергетическую замену коксовой постели на 30%.
Наряду с выдачей горячего жидкого металла, технология Окси-Кап позволяет получать жидкий шлак и колошниковый газ.
При выплавке чугуна из отходов получают шлак следующего состава: SiO2 - 41%, CaO - 37%, Al2O3 - 11%, MgO - 6%, FeO < 1,0%. Выход шлака составляет 400-430 кг/т чугуна. Столь значительный выход шлака объясняется загрязненностью скрапа, требующего для ошлакования дополнительных флюсующих добавок и извести. При использовании в шихте горячебрикетиро- ванного железа, полученного в агрегатах прямого восстановления, выход шлака значительно уменьшается. Кроме того, чистота железа прямого восстановления по вредным примесям - сере и фосфору, позволяет получать металл лучшего качества.
Технология Окси-Кап хорошо приспособлена для удаления из металла цинковых соединений, которые попадают в печь вместе со скрапом или в составе отходов металлургических технологий. Количество цинка составляет 1-3% от веса металлической шихты. Оксиды цинка при высоких температурах восстанавливается до металлического цинка, а при температурах 1000-1500 °С цинк активно испаряется. Перемещаясь с газом пары цинка, попадая в зону низких температур, окисляются до ZnO и в виде тонкодисперсных частиц выносятся с пылью из печи. В системе газоочистки улавливают до 33,3 кг пыли на тонну металла, в которой содержание ZnO достигает 38%. Пыль с таким содержание оксида цинка представляет качественное исходное сырье для получения металлического цинка.
В технологии процесса Окси-Kaп колошниковый газ проходит очистку от пыли. Содержание в нем пыли после очистки не превышает 10 мг/м3 газа, а содержание сернистого ангидрида менее 20 мг/м3. Этот газ, теплота сгорания которого равна 4200 КДж/м3, является топливным отходом. Частично его сжигают в топке, а тепло продуктов горения газа используют для подогрева воздушного дутья. Часть этого газа может быть использована для выработки электроэнергии. При отсутствии потребителя газ сжигают на свече - 12, так как в нем содержание оксида углерода - CO, достигает 32 %, что экологически недопустимо.
Во время пуска вагранки в эксплуатацию, при отсутствии колошникового газа для подогрева воздуха применяют смесь доменного и коксового газов, которую приготавливают в смесителе - 13.
Довольно часто «кислородную вагранку» - Окси-Кап, сравнивают с доменной печью. И та и другая являются шахтными печами с той лишь разницей, что в первой превалируют процессы плавления, а во второй процессы восстановления, главным образом, оксидов железа. Отсюда и разница в конструкциях этих печей. При одинаковой производительности (200 000 т/год) параметры вагранки и доменной печи характеризуются следующими показателями:
Если учесть и другие отличия, в частности уровень и оборудование для подачи нагрева дутья, особенности систем охлаждения, то преимущество вагранок с кислородным дутьем перед доменными печами для переработки металлургических отходов станет очевидным. К этому следует добавить, что в чугун и шлак из вагранки выдаются непрерывно в сигарообразные или обычные ковши.
Специалисты фирмы «Kuttner GmbH & Co. KG», участвующие в разработке технологии процесса Окси-Кап, приводят более детальные показатели работы печного агрегата (см. рис. 5), рассчитанного на использование углеродных самовосстанавливающихся брикетов, изготовленных из доменного шлама (35%) и пыли кислородно-конвертерного производства (65%). Анализ этих данных свидетельствует о том, что технология процесса Окси-Кап практически безотходна. Действительно все материальные отходы - шлак, шламы, фильтровальный кек, и энергетические - ваграночный газ, используются либо внутри самой технологии (подогрев дутья), либо для создания продуктов, обладающих потребительской стоимостью, таких как строительные материалы, сырье для извлечения цинка, получение электроэнергии.
Этот вывод может быть подкреплен и другими соображениями:
- технология процесса Окси-Кап не предъявляет особых требований к шихте, длительности производственного цикла, требуемых простоев. В частности, печь может работать на 100% скрапа, а ее остановка может быть проведена в течение 2 мин.
- горячий металл, выплавленный в печи Окси-Кап и чугун, полученный в доменной печи, имеют практически одинаковую, а в некоторых случаях и более низкую стоимость;
- использование дешевого скрапа с цинковым покрытием в составе шихты для Окси-Кап освобождает технологии производства стали в конвертерах и дуговых печах от этих нежелательных компонентов шихты и обеспечивает, тем самым, повышение производительности сталеплавильных агрегатов;
Рисунок 5 – Потоки шихты, продуктов плавки, материальных и энергетических отходов в технологии процесса Окси-Кап:
COD – химическое потребление кислорода; SS – твердые частицы
- технологией процесса Окси-Кап в состав шихты включают мелкие фракции агломерационных фабрик, в результате чего создаются благоприятные условия для оптимизации работы и повышении производительности этих фабрик;
- получаемая как отход производства в технологии процесса Окси-Кап пыль, богатая оксидом цинка, является ценным сырьем для получения металлического цинка;
- технико-экономические показатели процесса Окси-Кап свидетельствуют об отсутствии твердых отходов, а также о том, что концентрации загрязняющих веществ в выбросах и сбросах ниже предельно допустимых концентраций.
Таким образом, технология процесса Окси-Кап обеспечивает решение проблем утилизации отходов металлургического производства - пыли, шламов, настылей и скрапа, одновременно обеспечивая производство стали дополнительным количеством горячего металла, а цветную металлургию цинковым сырьем. Физический нагрев и химический состав горячего металла эквивалентны доменному чугуну. Таким образом, отходы различных металлургических технологий после переработки вновь возвращаются в сталеплавильное производства, но уже в новом качестве. Наиболее перспективным внедрением подобных технологий являются комбинаты с полным металлургическим циклом, формирующие отходы, которые будут полностью перерабатываться на самом предприятии.