5 Технология процесса kopekc (corex)
Эта технология в настоящее время получила наибольшее распространение. Её технологическая схема приведена на рис. 8. Для этого процесса на первой его стадии - восстановления, использована восстановительная шахта-реактор - 4, которая по своему устройству аналогична, применяемой в процессе МИДРЕКС, но отличающаяся отсутствием зоны охлаждения, т. к. металлизованное сырье, вовлекаемое во вторую стадию процесса, должно оставаться горячим. На второй стадии процесса -плавления, используется плавильная печь-газификатор - 5, для реализации технологических операций получения восстановительного газа, плавления металлизованного продукта и получения чугуна.
В технологическом процессе KOPEKC (COREX) железорудная часть шихты представлена окатышами, кусковой рудой, рудной мелочью или их смесью. В качестве добавок используется известняк и доломит. На тонну чугуна расходуется 1480 кг окатышей или эквивалентной по содержанию железа смеси окатышей и железной руды, 112 кг известняка и 130 кг доломита.
Доля железной руды достигает 12 %. После загрузки шихтовых материалов (кроме угля и железной руды в случаях ее использования) через шлюзовые затворы - 3, которые обеспечивают герметизацию рабочего пространства шахтной печи-реактора, шихта обрабатывается в противотоке восстановительным газом при температуре 800-850 °C по реакциям, описанным ранее. Восстановление оксидов железа протекает при высоком давлении газа, состоящего из CO и H2. Время восстановления в пределах 7-9 ч устанавливается таким, чтобы на выходе из реактора степень металлизации получаемого продукта составляла 90-93 %. Металлизованный продукт шнековыми питателями перегружается в плавильную печь-газификатор.
В плавильную печь-газификатор из бункеров - 1, с помощью шнековых питателей - 2, также загружается топливо - уголь, и железная руда в количестве 10-12 % от общей массы железорудных материалов.
Рисунок 8 – Упрощенная технологическая схема процесса КОРЕКС:
1 – бункер для угля; 2 – шнековый питатель; 3 – загрузка руды и флюсов; 4 – восстановительная шахта-реактор; 5 – плавильная печь-газификатор; 6 – циклон горячего газа; 7 – скрубберы; 8 – компрессор; 9 – шламовый отстойник; М – металл; Ш – шлак; ВГ – восстановительный газ; ВГО – то же, охлажденный; ОПГ – отработанный печной газ; П – пыль; Шл – шлам; В – вода; О2 – кислород; КУ – котел-утилизатор
Загружаемая в печь-газификатор вместе с углем железная руда вносит дополнительный кислород, что снижает удельный расход газообразного потребляемого кислорода, сокращает удельный расход топлива. При добавке 10-15 % кокса к углю отмечено увеличение производительности агрегата за счет увеличения зоны горения и интенсификации процессов теплоотдачи от горячих газов шлаку и металлу.
Для обеспечения устойчивой работы этого агрегата к качеству углей предъявляются следующие требования:
Соблюдение этих требований благоприятно сказывается на устойчивости процесса газификации, равномерности всех процессов по объему слоя в печи-газификаторе и, в конечном итоге, на технико-экономических показателях по производительности, по удельным расходам угля и кислорода и пр.
После загрузки в печь-газификатор топлива, железной руды и металлизованного железа в ней образуется из этих компонентов движущийся слой твердых материалов. Под влиянием высоких температур железорудная часть шихты плавится, образуя шлаковый расплав, который каплями, сливающимися в струйки, стекает по угольно-коксовой насадке, при этом происходит довосстановление оксидов железа, разделение металла и шлака и накопление этих продуктов в горне. Выпуск чугуна и шлака, условия горения топлива определяют скорость движения слоя, его режим работы по принципу противотока.
Таким образом, при стационарном режиме работы комплекса KOPEKC (COREX) в печи-газификаторе формируется движущийся слой угля, орошаемый шлаковым расплавом и плавающий на поверхности жидкого шлака. По высоте слоя угля снизу вверх по аналогии с газогенераторным процессом выделяются четыре зоны: окислительная, восстановительная, термического разложения угля, сушки. В кислородной зоне происходит горение угля в атмосфере кислорода преимущественно с образованием CO2, сопровождающееся выделением тепла. Удельный расход кислорода на тонну угля в этой зоне составляет 550 м3. При наличии в газе водяных паров их взаимодействие с твердым углеродом приводит к образованию и CO, и H2. Температура газа в кислородной зоне при использовании кислородного дутья достигает 2500 °С. По мере расходования кислорода дутья, в слое топлива развиваются процессы, связанные с восстановлением CO2 до CO, отсюда и название восстановительной зоны. Следует отметить, что источниками образования CO2 является как горение топлива, так и процессы восстановления оксидов железа. В этой зоне не только завершаются процессы восстановления оксидов железа, но и активно происходит плавление шихты. Процесс регенерации CO2 требует для своего развития значительных затрат тепловой энергии, также, как и процесс плавления. Пока в генерируемом (восстановительном) газе есть запас тепла, образование оксида углерода продолжается и на выходе из этой зоны содержание CO2 становится незначительным. В зоне термического разложения угля выделяются смолы и летучие вещества, которые в условиях высоких температур разлагаются с образованием CO и Н2. Эти компоненты обогащают газ. Оставшийся твердый продукт представляет собой полукокс, состоящий практически из твердого углерода и золы. В самой верхней зоне - сушки, удаляется влага. Представленная схема формирования восстановительного газа из угля и кислорода достаточно условна: в реальном слое угля зоны проникают одна в другую или совмещаются друг с другом.
Образующийся технологический, восстановительный газ содержит 90-95 % CO и H2, а также 1-5 % CO2 при отношении (Н2/СО2) ~ 0,3 и немного азота. Этот газ практически идеален для восстановления оксидов железа, т. к. не содержит балластных компонентов. Восстановительный газ этого состава и используется при металлизации в восстановительной шахте комплекса KOPEKC (COREX). В результате затрат тепла на плавление компонентов шихты и процессы жидкофазного восстановления газ охлаждается до 1000 °С, после чего направляется в циклон - 6. Осажденная пыль, состоящая из угля и железосодержащих компонентов шихты, возвращается в печь-газификатор.
Требуемая технологией металлизации температура газа на входе в восстановительную шахту - 800-850 °С, корректируется вводом в этот поток охлажденной части восстановительного газа. Для этого после циклона поток газа разделяется. Одна из его частей направляется в скруббер - 7, где одновременно с охлаждением газа улучшается его состав за счет удаления водяных паров. Далее этот охлажденный поток смешивается с горячим технологическим газом и через фурмы вводится компрессором - 8, в шахту-реактор. При избытке этого газа некоторое его количество может быть передано в поток отработанного печного газа.
Отработанный печной (колошниковый) газ, содержащий 43 % CO, 20 % H2 и 32 % CO2 подвергается очистке в скруббере - 7, после чего направляется в котел-утилизатор для последующей выработки электроэнергии.
Загрязненная пылью вода от скрубберов осветляется в шламовом отстойнике - 9, и возвращается в систему оборотного водоснабжения. Шламы от скрубберов после обезвоживания утилизируются.
Получение чугуна связано с науглероживанием металла. Начинается этот процесс на первой стадии технологии, т. е. в восстановительной шахте-реак-торе, а его завершение происходит в печи-газификаторе. По своему составу чугун, выплавленный по технологии KOPEKC (COREX), практически не отличается от чугуна доменной плавки. Об этом свидетельствуют данные табл. 3, отражающие работу завода фирмы «Posco».
Таблица 3 – Характеристика чугунов, выплавляемых по традиционной технологии и технологии КОРЕКС
Различия, на которые следует обратить внимание, заключаются в том, что:
- чугун бескоксовой плавки является «химически» более горячим, т. к. в нем содержание кремния достигает 1,31 %, что является следствием более высоких температур на фурмах при сжигании угля в атмосфере кислорода;
- выход шлака при удельных расходах окатышей, угля и флюсующих на выплавку 1 т чугуна выше, чем в доменной плавке. Однако этот продукт не является отходом, он подвергается грануляции и в таком состоянии поступает к потребителям.
Опыт эксплуатации технологических комплексов KOPEKC (COREX) показал, что расход топлива на выплавку чугуна зависит не только от качества угля и железорудного сырья, но и от производительности агрегата. При ее изменении в пределах 1800-2400 т чуг. в сутки расход угля изменялся от 900 до 1200 кг/т чуг. Естественно, что подобные колебания сказываются на себестоимости чугуна, которая по оценкам специалистов завода выше себестоимости чугуна, выплавляемого на доменных печах большого объема и ниже таковой при выплавке чугуна на доменных печах малого объема. Улучшение экономических показателей очевидно: это использование в шихте дешевых видов топлива и различных отходов -замасленной окалины, угольной мелочи, пластмассы, органических отходов. При расчете шихты следует ограничивать поступление цинка в плавильный агрегат, т. к. этот элемент только частично выводится из процесса. Оставшийся в металле цинк значительно снижает качество чугуна.
Комплексы по технологии KOPEKC (COREX) работают с 1989 г. на заводе фирмы «Iscor» в ЮАР, с 1995 г. на заводе «Pohang Works» фирмы «Posco» в Корее, с 1999 г. на заводе «JINDAL VIJAYANAGAR STEEL» в Индии. Общий годовой объем выплавки чугуна на этих заводах составляет 2,25 млн т. Опыт эксплуатации заводов показал, что при проектировании нового комплекса производительностью 2000 т чугуна в сутки капитальные затраты на его строительство могут быть снижены на 20 % за счет комбинации процессов МИДРЕКС и KOPEKC (MIDREX, COREX), оптимизации состава шихты, технологии процесса и оборудования для его реализации, совершенствования систем, обслуживающих основные агрегаты и пр.
Определенную роль в снижении себестоимости получаемого чугуна может сыграть утилизация вторичных энергетических ресурсов, которые появляются в технологии KOPEKC (COREX). Энергетический потенциал отработанного печного газа шахтного реактора довольно значителен. Часть этого газа, как следует из описания технологии возвращается в процесс. Избыточная же его часть может быть использована на самом предприятии, например, для обжига окатышей, выработки электроэнергии, количество которой способно удовлетворить и потребности технологии производства чугуна, включая получение кислорода, и других потребителей при продаже электроэнергии. Если в комплексе отсутствует тепловая электрическая станция, то отработанный печной газ, теплота сгорания которого составляет около 12 МДж/м3, может быть продан на сторону как топливный.
Совершенствование технологии получения жидкого металла комбинированными методами с использованием двухстадийных процессов развивается по пути замены подготовленного железорудного сырья (окатыши) неподготовленным (мелкие железные руды).