Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 11 )

ГЛАВА 6. ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПРОДУВКИ. ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ

6.1. Получение металла в факеле

Кратко рассмотрим схемы ряда других процессов с элементами последовательной продувки, не обсуждая технические сложности.

Теоретически факел горячего доменного дутья с угольной пылью и концентратом способен производить чугун или даже сталь уже сам по себе, без кусковой шихты. В принципе возможна «пустая» доменная печь, в которой работают такие факелы, капельки получаемого жидкого металла налипают на футеровку печи и по ней расплавы стекают в горн. Факелы могут быть направлены под углом к радиусу, так что в печи будет организована циркуляция газов с капельками расплавов по спирали вверх, и налипание капелек на стенки будет обеспечено центробежными силами. Известны предложения по подобной переработке сульфидов меди Cu2S, CuS. В подобных агрегатах весьма высока «газопроницаемость» пустой шахты печи.

Известен также подобный процесс в агрегате «Циклон», в котором, однако, используется более холодный воздух, температуры газов ниже точки плавления, и частицы железорудного концентрата должны превращаться в твердые частицы железного порошка, которые нельзя выделить из потока налипанием на стенку [33,34]. Выделение этих твердых частиц из газового потока является серьезной сложностью в таких процессах.

Важный недостаток таких процессов состоит в том, что здесь нет противотока газов и шихты, и, соответственно, нет утилизации физического тепла отходящих газов; в этом отношении подобные процессы уступают доменному. Конечно, здесь нет также и утилизации химического тепла отходящих газов; как и в домне, в отходящих газах будет преобладать СО. Такие потери физического и химического тепла отходящих газов приводят к тому, что расход топлива в таком агрегате может составить примерно (1.2–1,75) тонны углерода на тонну металла (см. Приложение 2, задача 3.). Но даже и такой процесс может оказаться экономически вполне целесообразным по сравнению с современным циклом, если в агрегате сталеплавильная футеровка, по данной схеме производится сталь, если используется уголь, который намного дешевле кокса, а физическое и химическое тепло отходящих газов утилизируется после печи, например, паровым котлом электростанции.

При утилизации физического и химического тепла отходящих газов можно сделать экономически целесообразным и процесс в агрегате «Циклон», производящий порошок железа (если его хорошо отладить).

Если пространство вокруг факелов и над ними заполнить железорудными окатышами, то реализуется утилизация физического и химического тепла отходящих газов, и мы практически вернемся к агрегату «угольный Мидрекс». Если пространство в зоне факелов заполнить коксом, а поверх зоны кокса поместить зону окатышей, мы вернемся к доменной печи с элементами последовательной продувки (см. рис. 5.1). Если же это пространство заполнить смесью кусков кокса и окатышей, мы вернемся к доменному процессу, дополненному вдуванием угольной пыли и концентрата. Твердая шихта, опускающаяся навстречу потоку горячих газов, во всех этих вариантах обеспечит утилизацию физического тепла газов.

Реакции угольной пыли и порошка концентрата в факеле будут протекать почти одинаково, независимо от того, формируется ли этот факел в пустом агрегате, в слое окатышей, в слое кускового кокса или слое доменной шихты. Факел высокого давления «раздвигает» куски шихты, а некоторые из них увлекает газовым потоком. Поверхность частиц угольной пыли и порошка концентрата на порядки величины больше, чем поверхность кусков шихты, которые могут уноситься факелом. Соответственно, скорость реагирования угольной пыли с концентратом и кислородом дутья будет намного больше, чем скорость реагирования кусков шихты.

Высокотемпературные факелы с угольной пылью и концентратом в толще шихты не имеют двух отмеченных недостатков факелов способа «Циклон»: 1) так как физическое тепло газов утилизируется шихтой, то получение металла в факелах не сопровождается высоким расходом топлива; 2) в высокотемпературном факеле получаются не твердые частицы, а капельки металла, которые налипнут на жидкие и твердые фазы шихты, поэтому отпадают трудности с выделением металлической фазы из потока газов.

Для нашей темы главная ценность таких обсуждений состоит в том, что они позволяют более отчетливо представить роль факелов с вдуванием угольной пыли и концентрата в агрегатах (см. рис. 3.1 и рис. 5.1). Важно то, что кусковая шихта в домне или кокс (см. рис. 5.1) могут вообще не участвовать в реакциях, а выполнять лишь функцию «нейтрального заполнителя пространства». Кокс необходим лишь для формирования «коксовой насадки», прослойки, отделяющей расплавы от твердой шихты, а в качестве топлива он может быть заменен угольной пылью.

Теоретически можно даже заменить кокс каким–то не реагирующим нейтральным материалом, например, кусками огнеупоров. Подобные положения высказывались в известной дискуссии по роли «коксовой насадки» в доменной печи.

6.2. О тепловом балансе плавки

Основные реакции доменного процесса протекают в горне и в прилегающей высокотемпературной зоне. Этот «реактор» печи получает три примерно равных источника тепла. Это: тепло горячего дутья (1200 0С); тепло горения топлива (DТ=930 0С, см. приложение 2); тепло поступающей из шахты шихты (1200 0С). Тепло шихты получается утилизацией физического тепла отходящих газов, которые охлаждаются также примерно на 1200 0С в шахте, например, от 1400 до 200 0С. Шахта работает в основном как теплообменник, как эффективный утилизатор физического тепла отходящих газов, и отбирает основную часть их тепла.

Примерное равенство этих источников видно из приведенных изменений DТ температуры газов, которые может дать каждый источник (1200, 930 и 1200 0С). Колошниковые газы уносят из печи лишь немного тепла, их температура составляет только 150 – 200 0С. Здесь видна эффективность принципа противотока газов и шихты в доменной печи. Правда, ради лучшей теплопередачи от газов к шихте приходится удлинять их путь в печи, и высота шахты (теплообменника) доводится уже, например, до 30 м, хотя для этого

приходится повышать требования к прочности кокса и окатышей (агломерата), и, соответственно, идти на значительные дополнительные затраты.

В агрегатах металлизации железорудных окатышей в ряде случаев противоток шихты и отходящих газов обеспечивается без пересыпания шихты; она неподвижно размещается на полетах, которые движутся в шахте печи навстречу потоку газов [33, 34]. Таковы, в частности агрегаты типа «Коромысло». В этом случае можно использовать уголь вместо кокса и необожженные окатыши. Однако такое механическое оборудование (движущиеся полеты) обычно не может работать при температурах значительно выше 1000 0С.

В принципе возможен агрегат типа доменной печи, в котором окатыши в смеси с углем подобным образом прогреваются в шахте на полетах примерно до 1000 0С, металлизуются, затем ссыпаются с полет в горн, где расплавляются. Здесь же в печь вводится немного кокса для формирования коксовой насадки печи. Уголь сгорает на полетах.

Преимущество такого процесса состоит в том, что не нужен обжиг окатышей, а основная часть кокса, которая в доменной печи расходуется на восстановлениие и горение, заменяется углем; стоимость сырья уменьшается, например, вдвое по сравнению обычным доменным процессом.

Если в каком–то новом процессе мы отказываемся от утилизации тепла отходящих газов, то расход топлива резко возрастает, например, до 1,2-1,75 тонн углерода на тонну металла в приведенном выше примере получения металла в факелах. Если же мы отказываемся еще и от подогрева дутья, то получение жидкого металла становится невозможным, сколько бы топлива мы не сожгли. Температура горения углерода в холодном воздухе составляет 930 0С (см. Приложение 2), что не позволяет получить жидкий металл уже при любом расходе топлива. При такой схеме процесса надо возвращаться к «твердотельной» металлургии, получать лишь твердое металлизованное сырье.

Сейчас уже достаточно широко осознан тот факт, что получение металла можно вести эффективнее, если разделить газогенераторный процесс и металлизацию, которые в домне совмещены. Тем самым открываются возможности утилизации химического тепла газов. Известен ряд таких изобретений [11]. В сущности, неполное горение топлива (газогенерацию) и восстановление окислов разделяли, например, еще в известной старой «печи Видберга» [7]. Горение топлива до СО проводили в отдельном агрегате – в газогенераторе, а в шахтную печь подавали по трубопроводу уже полученный восстановительный газ. Но существующие газогенераторы не приспособлены для работы на горячем доменном дутье (например, 1200 0С), которое подается через фурмы. Далее, генераторный газ на доменном дутье получается столь горячим (например, 2000 0С), что его невозможно передавать по трубопроводу. В этом отношении нижняя часть доменной печи, заполненная топливом, или факел дутья с избытком угольной пыли, имеют преимущества перед обычными газогенераторами. Последние практически пригодны лишь для металлизации металлошихты в твердом состоянии, например, при температурах (800 – 1000) 0С. Здесь рассматривается разделение процессов не по агрегатам, а по зонам одной шахтной печи. Газы без трубопровода переходят из топливной зоны в зону окатышей (или агломерата).

6.3. О тепловом балансе сталеплавильного процесса

В сталеплавильных агрегатах нет утилизации тепла отходящих газов, поэтому они уступают доменной печи по энергоэффективности, экономии тепла. Тепло в сталеплавильных агрегатах намного дороже, чем в доменной печи, и сталеплавильный передел обычно дороже самого получения металла в домне, хотя задача сталеварения – лишь сравнительно небольшая коррекция состава металла, например, удаление 2-4 % лишнего углерода. Для сравнения отметим, что в доменной печи от окислов железа отбирается до 60 % атомных процентов кислорода. Дутье конвертера на тонну металла в 10-20 раз меньше дутья домны, соответственно меньше и общий объем проводимых реакций.

Известно много проектов получения стали из руды в сталеплавильных агрегатах. В принципе такие процессы возможны; все металлургические агрегаты подобны в том смысле, что основное содержание работы каждого агрегата – проведение реакций в тройной системе железо – кислород – углерод. Доменное дутье можно отрегулировать так, что оно будет выполнять функции конвертерного дутья.