Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 12 )

Однако получение металла из руды в сталеплавильном агрегате неэффективно из-за плохого использования химической энергии топлива. Известен провал «процесса Рюмина», предназначенного для получения стали из руды в агрегате типа мартеновской печи.

Особенно дорогим оказывается тепло в электропечах из-за высокой стоимости электроэнергии. В конвертере при холодном воздушном дутье температура горения углерода, растворенного в металле, составит примерно 930 0С (см. Приложение 2). Если бы в конвертере проходило лишь горение углерода, то продувка приводила бы скорее к охлаждению жидкого металла. Разогрев ванны в конвертере воздушного дутья происходит за счет горения железа, а также легирующих примесей (кремний, марганец и др.), восстановленных в доменной печи, а такое отопление весьма дорого. В этом смысле конвертер отапливается энергией, запасенной в металле доменной печью. Практически невозможно значительное получение стали из руды в конвертере с холодным воздушным дутьем.

Известны предложения по дожиганию отходящих газов в конвертере; однако в этом случае тепло получается уже не в ванне агрегата, а над ванной, по пути газов от нее. Передача выделяющегося тепла в ванну затруднительна; оно идет лишь через небольшую поверхность зеркала ванны. Удельная тепловая мощность сталеплавильных агрегатов невелика по сравнению с мощностью доменной печи. В шахтной печи теплообмен фаз идет через большую суммарную поверхность всех кусков шихты.

Тепловой баланс конвертера становится несколько лучше при кислородном дутье. В этом случае объем отходящих газов в 2-3 раза меньше, чем при воздушном дутье из-за отсутствия азота. В 2-3 раза уменьшается и уносимое газами тепло, а теоретическая температура горения углерода в кислороде достигает 2530 0С (см. Приложение 2, задача 6). Известны патенты, предусматривающие получение стали из руды в кислородном конвертере. Однако кислородное дутье дорого, тепловой баланс процесса остается достаточно плохим, так как нет поступления тепла с дутьем. Велик угар металла и пылевынос; отходящие из конвертера газы содержат много бурого дыма – пылевидных окислов железа и другой пыли, и утилизация их энергии электростанцией затруднительна.

В целом перенос получения металла из шахтной печи в сталеплавильный агрегат представляется неперспективным. Более перспективно обратное действие – перенос получения стали в шахтную печь. Особенно в том случае, если за счет последовательной продувки обеспечивается утилизация не только физического, но и химического тепла отходящих газов, как в агрегате «угольный Мидрекс» (см. рис. 3.1). Дожигание газов дает горну четвертый, и самый большой источник тепла, в дополнение к трем перечисленным выше источникам тепла.

6.4. Схемы других печей. Печи обжига шихты

По образцу доменных печей создано много других шахтных печей, работающих на коксе. В таких печах также ведется совместная продувка смеси тех или иных кусковых материалов с коксом. Таковы многие печи цветной металлургии, в частности, в металлургии меди и никеля, печи обжига сидеритов, известняков и других карбонатов, шахтные печи магнетизирующего и окислительного обжига железных руд, вагранки и др. Такие печи создавались под влиянием доменной идеологии и унаследовали отмеченные «врожденные пороки 1 и 2» доменного процесса. В них, как и в домне, также можно от неполного сжигания кокса перейти к полному сжиганию угля и, соответственно, уменьшить расходы на топливо примерно в 10 раз.

В этих печах кокс удается сжечь в основном лишь до СО, но не до СО2, и в результате печь получает в (2-3) раза меньше тепла, чем получила бы при полном сжигании топлива до СО2 и Н2О. Приходится также использовать кокс, который в (2-6) раз дороже рядового угля. В результате тепло горения топлива обходится в таких печах, как и в домне, примерно в 10 раз дороже. Если перейти на отопление такой печи факелом угольной пыли, как в схеме рис. 3.1, то расходы на топливо в такой печи уменьшатся примерно на порядок величины.

Нередко в такой печи требуется лишь прогрев кусковых материалов до определенной температуры, лишь обжиг шихты, и во всем объеме печи приемлема окислительная атмосфера. Такие печи также можно отапливать факелами дутья с угольной пылью при избытке воздуха, так что уже в факеле проходит полное горение топлива до СО2, не требуется дополнительное дутье для дожигания газов. Для нашей темы этот случай примечателен тем, что в данных простых печах несообразности 1 и 2 выглядят уже как очень явные, вопиющие несообразности, которые можно не заметить лишь под влиянием идеологической поразительной слепоты. Тем не менее, эти несообразности столетиями оставались незамеченными (подробнее см. выше, раздел 2.3). Здесь особенно явно видно давление устаревшей господствующей «доменной» идеологии, которая является главным препятствием для совершенствования процессов в обсуждаемых шахтных печах.

6.5. Печи для получения черновой меди

Рассмотрим схему тех шахтных печей, в которых необходима реакционная зона восстановления. Восстановительную атмосферу здесь можно создать факелом угольной пыли при недостатке воздуха, при неполном горении пыли до СО. В этом случае, как и в агрегате «угольный Мидрекс», потребуется подача дутья на двух уровнях: 1. снизу, для неполного горения угольной пыли в факелах; 2. выше, для дожигания газов.

В физико–химической схеме процесса факел с угольной пылью при избытке воздуха эквивалентен угольной топке, а факел с недостатком воздуха эквивалентен газогенератору. Если нет оборудования для вдувания угольной пыли, то можно с тем же успехом сжигать кусковой уголь в угольной топке или в газогенераторе, а горячие продукты горения направлять в печь. Можно вводить кусковой уголь непосредственно в зону горения печи, в факелы дутья, способами, рассмотренными в главе 3 применительно к агрегату «угольный Мидрекс» – через течки, врезки в футеровке и др.

Рис. 6.1. Схема агрегата для плавки медной руды на черновую медь:

1– основное дутьё; 2 – дополнительное дутье для выжигания серы, дожигания отходящих газов; 3 – лётки; 4 – загрузка руды

В принципе по такой схеме можно получать твердые металлизованные окатыши на угле, которые сейчас получают обычным способом «Мидрекс» на природном газе. В этом случае снизу в основной корпус агрегата нужно подавать низкотемпературный генераторный газ с температурой, например, 1100 0С, который не приведет к плавлению окатышей. Такой газ можно получить в газогенераторе при температуре воздушного дутья около 200 0С. Потребуется отладить новый режим выгрузки спекающейся массы металлизованных окатышей. Спекание может получиться более прочным, чем в обычном агрегате «Мидрекс» на природном газе.

По такой же схеме (см. рис. 6.1) в принципе можно перерабатывать медный пирит (сульфид меди Cu2S), медную руду в расплав черновой меди. В верхние фурмы нужно подавать дутье с избытком воздуха, чтобы обеспечить горение загружаемого сульфида Cu2S (Cu2S + О2 = Cu2О + О2) с горением серы S до SО2 и с образованием окислов меди Cu2О. Здесь должны догорать также газы (СО), поднимающиеся из нижней восстановительной зоны. Такой процесс дает много тепла, поэтому здесь целесообразно низкотемпературное дутье.

В нижних фурмах сжигается угольная пыль с избытком топлива, и в восстановительной зоне между нижними и верхними фурмами восстанавливаются опускающиеся сверху куски окислов меди (Cu2О) и образующаяся медь Cu плавится в жидкую черновую медь. Так можно одним процессом заменить современную плавку пиритов в шахтной печи с коксом и конвертирование образующегося жидкого штейна. Аналогично схема рис. 2.1 «угольный Мидрекс» заменяет доменный процесс и конвертирование жидкого чугуна.

6.6. Получение водорода

В доменной печи, в агрегатах «Мидрекс» и других окислы железа восстанавливаются окисью углерода и водородом (СО и Н2), причем скорость восстановления водородом больше, и он играет роль ускорителя металлургических реакций восстановления. Обратная реакция идет столь же быстро, как и прямая. Если же реакцию восстановления окислов водородом провести в обратном направлении, можно получать водород из паров воды:

Н2О + Fe = FeО + Н2.

Это актуально в связи с развитием экологически чистой водородной энергетики. В равновесии пары воды и водород будут примерно в равных количествах.

Металлизованные окатыши имеют высокопористую структуру, развитую внутреннюю поверхность. Они успешно служат катализаторами ряда реакций и могут быстро восстанавливать пары воды до водорода. В агрегате «угольный Мидрекс» можно чередовать периоды обычной работы с восстановлением окатышей и накапливанием металлизованного железа, и периоды обратных реакций, во время которых пары воды восстанавливаются до водорода за счет окисления накопленного железа.

В обычный период, как и в схеме рис. 3.1, в агрегат вдувается снизу угольная пыль с горячим дутьем. В период получения водорода снизу вдуваются горячие (1200 0С) пары воды из рекуператора, а через верхние фурмы отводится полученная смесь Н2 и Н2О. После охлаждения полученной газовой смеси вода Н2О конденсируется и легко «отмывается» в устройстве типа градирни, а оставшийся водород может направляться на охлаждение и сжижение. Продувка на получение водорода может идти примерно с такой же интенсивностью, как и обычная продувка на получение металла.

Реакция получения водорода Н2О + Fe = FeО + Н2 идет с небольшим выделением тепла, (16 кДж/моль), поэтому продувка агрегата горячим водяным паром (1200 0С) не приведет к значительному охлаждению массы металлизованных окатышей в реакционной зоне. Произойдет некоторое перераспределение температур по зоне.

Можно за один цикл продуть столько газов, чтобы окислилось, например, 10 % всего железа в реакционной зоне печи. Это соответствует весьма большому количеству газа, примерно 400 нм3 водорода (22,4•1000 / 56 = 400) на тонну окисляемого железа, и порядка 40000 нм3 водорода за цикл продувки большой печи, которая содержит 1000 тонн массы.

Можно из такой печи не выгружать металл ни в твердом, ни в жидком состоянии, и лишь поочередно окислять и восстанавливать одну и ту же массу.

Возможен вариант, при котором в обычный период работы не только восстанавливается железо, окисленное при получении водорода, но производится и выгружается определенное количество твердых металлизованных окатышей. Возможен вариант с высокотемпературным дутьем, расплавляющим металл, при котором в обычный период вырабатывается и выпускается определенное количество жидкого металла. В данной схеме имеются широкие возможности изменять соотношение восстановления и плавления, регулировать температуру факелов, поэтому в таком агрегате можно, видимо, то прекращать получение жидкого металла, то вновь его возобновлять. В доменной печи такие изменения режима практически невозможны.