РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ПЛАЗМЕННО-МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ГАЗОВ в МЕТАЛЛУРГИИ

Применение низкотемпературной плазмы и разделения газов на полимерных мембранах позволяет комплексно решать проблемы металлургии и энергетики и существенно улучшить экологическую обстановку в промышленных районах за счет применения газообразных энергетических топлив и восстановителей, используемых в доменной плавке и процессах бескоксовой металлургии [1—6].

Возможны следующие способы плазменной генерации и нагрева восстановителей и энергоносителей: конверсия и пиролиз углеводородов; получение водорода из воды [3]; газификация углей, в том числе на экологически чистой ТЭЦ с одновременным получением синтезгаза, тепловой и электроэнергии [1, 46].

Первый способ отличают относительная простота реализации, имеющийся опыт промышленного освоения.

Для второго характерны высокая экологичность, возможность организации замкнутого безотходного производства, в принципе даже без применения невосполнимых источников энергии— ископаемых органических топлив.

Третьему способу присуще комплексное решение проблемы на основе использования энергетических углей — основного топлива на обозримую перспективу.

Очевидной предпосылкой актуальности плазменных технологий является возможность создания за счет высокой концентрации энергии компактных и легкоуправляемых агрегатов при высоком уровне механизации и автоматизации, обеспечивающая снижение металлоемкости и, соответственно, капитальнных затрат. Малая инерционность плазменных агрегатов позволяет организовать соответствующие производства с суточным ритмом работы, используя "провальные" по нагрузке (например, ночные) часы работы электростанций.

Восстановление металлов продуктами плазменной конверсии природного газа

К началу 70х годов,* когда принималось решение о строительстве Оскольского электрометаллургического комбината, прирост разведанных запасов природного газа и развитие методов его промышленной конверсии открывал и, как казалось, широкие перспективы применения конвертированного газа в качестве восстановителя для процессов получения высококачественного, чистого по примесям железа. Поэтому был выполнен цикл работ по плазменной конверсии и пиролизу метана для восстановления металлов.

С помощью расчетов термодинамически равновесных составов продуктов кислородной конверсии природного газа показано, что при стехиометрическом соотношении углеводородов и окислителей, которое может быть реализовано в плазмотроне, содержание окислителей в конвертированном газе не превышает 2—3%. Именно такое содержание окислителей было зафиксировано в продуктах плазменной конверсии экспериментально и установлено, что при слоевом восстановлении рудных и рудноугольных гранул продуктами кислородной конверсии метана в дуговом разряде при стехиометрическом соотношении углеводородов и окислителей почти вдвое сокращается расход природного газа и втрое уменьшается расход 02 на процесс по сравнению с их расходами при восстановлении газом, полученным в конверсионных горелках, которые устойчиво работают только с избытком окислителя. Существенно, что при этом экономия от снижения расхода технологических газов превосходит дополнительные затраты, связанные с использованием электроэнергии для организации конверсии в плазме, при получении губчатого железа на конвейерной машине и в шахтных печах металлизации.

Малое содержание окислителей в продуктах плазменной конверсии метана дало основание использовать их для обработки оксидов таких .трудновосстановимых металлов, как Сг, а возможность оперативно регулировать в широких пределах температуру газа без изменения его состава за счет варьирования вкладываемой в электрический разряд мощности казалась перспективной для организации процесса совместного восстановления железа и легирующих элементов с получением нержавеющих сталей типа Х18Н9. При получении легированной губки оптимальным представлялся такой режим обработки, когда при умеренных температурах восстанавливаются относительно легкоплавкие оксиды никеля и железа, а затем после предотвращения опасности обволакивания тугоплавких оксидов хрома этими легкоплавкими соединениями— хром. Экспериментальные исследования подтвердили эти соображения и показали возможность получения легированной губки при восстановлении продуктами плазменной конверсии метана окатышей из смеси железорудного концентрата или окалины с оксидом хрома и закисью никеля.

Выполнены исследования по высокотемпературному восстановлению железорудных концентратов. На стендовых плазменных установках мощностью до 100 кВт получены при обработке железорудных концентратов следующие удельные производительности: циклонный и конвертерный аппараты — 60—100 т/(м3 • сут), струйный процесс— 950т/(м3*сут), что на 23 порядка превышает удельную производительность агрегатов традиционной металлургии. Характерно, что при столь высокой производительности, достигнутой за счет высокой концентрации энергии в потоке плазменных газов на входе аппарата, общие затраты тепла на процесс восстановления в стендовой установке имели тот же порядок, что и для доменной печи и крупных промышленных агрегатов бескоксовой металлургии. Экспериментально показано, что, несмотря на чрезвычайно малое время восстановления (миллисекунды), углерод вводимого в плазму метана практически полностью используется на восстановление и науглероживание металла, но, регулируя соотношение расходов углеводородов и оксидов, можно получать малоуглеродистый металл.

В аппарате струйного типа показана возможность получения шихтовой заготовки для выплавки нержавеющих хромоникелевых сталей при совместном восстановлении оксидов Fe, Сг и Ni водородом с добавкой (до 20%) метана.

Плазменная утилизация шламов. Шламы основных переделов черной металлургии содержат углерод, который может играть роль восстановителя при их утилизации. Вместе с тем цинковистые шламы не могут быть возвращены в аглодоменный передел изза отрицательного влияния цинка на ход доменной плавки. Восстановительные плавки цинковистых шламов были проведены в руднотермической печи мощностью 1 МВт, вместимостью по расплаву до 20 т, оборудованной тремя угольными электродами и двумя дутьевыми устройствами на базе помещенных в водоохлаждаемые фурмы плазмотронов мощностью 200 кВт, работавшими в режиме пиролиза метана. Получен низкоуглеродистый металл, до 99% Zn переведено в возгоны, а содержание Fe в конечном шлаке не превышало 3%. Расходные показатели процесса на уступали аналогичным величинам в шведском процессе "Plasma Zink" [7].

Восстановление металлов водородом.

Энергетический кризис 70х годов и угроза экологического коллапса, связанного с накоплением в атмосфере диоксида углерода, вызвали повышенный интерес к разработке металлургических процессов, основанных на использовании в качестве восстановителя водорода. При этом наиболее перспективным представлялось плазмохимическое получение водорода из воды с применением электроэнергии атомных электростанций. Был выполнен проект опытнометаллургического комплекса по производству металлических порошков из железорудных суперконцентратов в условиях плазменного получения и нагрева водорода. Под эту конкретную задачу выполнены исследования по разработке технологии получения губчатого железа для производства железных и легированных порошков [3]. При этом была показана перспективность применения в такой технологии интенсификаторов восстановления на низкотемпературной стадии — соединений щелочных металлов.

Экспериментально показана возможность получения легированной губки и шихтовой заготовки для выплавки нержавеющих сталей при совместном восстановлении водородом оксидов железа, хрома и никеля при содержании Сг в металле до 15—18%.

Сопоставительный анализ производства стали в плазменном реакторе методом прямого восстановления и по традиционной схеме, включающей производство кокса, агломерацию, доменную плавку и сталеплавильный передел, показал, что прямое получение стали с использованием в качестве восстановителя природного газа конкурентоспособно с традиционным производством. Применение водорода в такого рода процессах станет приемлемым после существенного снижения его стоимости. Расчет капиталоемкости для рассматриваемых вариантов структуры производства показал, что прямое получение стали в плазменном реакторе позволяет снизить капитальные затраты по сравнению с традиционной технологией.

Восстановление металлов продуктами плазменной газификации углей. К середине 80х годов прогнозы развития топливно энергетического комплекса со всей определенностью показали, что основным источником энергии на обозримую перспективу останутся каменные угли, а катастрофа в Чернобыле поставила под сомнение идею быстрого создания атомнометаллургических комплексов. С этого времени основные усилия были сосредоточены на разработке процессов получения восстановительных газов методами газификации углей.

При термических способах не удается достичь степени газификации выше 80% и в продуктах неизменно присутствуют коксовый остаток и значительное количество окислителей. Термодинамические расчеты равновесных составов продуктов паровой плазменной газификации углей показывают возможность получения газов, содержащих менее 2% окислителей. Исследования по газификации канско ачинских и подмосковных углей, выполненные на плазменном реакторе, схема которого приведена на рис.1, подтвердили такую возможность [6], но расходы электроэнергии при этом были весьма высоки (рис. 2). Поэтому более предпочтительно энергокомбинирование, когда первая стадия газификации осуществляется в термическом реакторе, а завершающая— пароплазменным способом.

По этому принципу может быть построена экологически чистая ТЭЦ, на которой продукты газификации углей используются для отопления паровых котлов и передаются на технологические нужды включающего ТЭЦ предприятия [1, 4—6]. Такая компоновка обеспечивает по сравнению с обычной ТЭС снижение содержания в дымовых газах оксидов серы на 90— 95%, а оксидов азота— в 5—10раз, что достигается за счет ступенчатого сжигания га 100 за в топке парогенератора и улавливания серы и пыли на фильтрах. Такой подход полностью отвечает концепции экологически чистых технологий XXI века, предполагающих извлечение вредных веществ "в голове", а не улавливание их в "хвосте" и извлечение на промежуточных стадиях процесса. Эффективность такой ТЭЦ, работающей в комплексе с доменным цехом и цехом металлизации, показана Сибгипромезом для районов Восточной Сибири и Дальнего Востока, меткомбинатов Новокузнецка.

Мембранная очистка колошникового газа с целью вторичного использования в коксосберегающей технологии доменной плавки. Несмотря на развитие процессов бескоксовой металлургии, доменная плавка еще длительное время останется основным способом массового производства черных металлов. Экологию коксодоменного передела можно улучшить за счет вдувания в горн печи горячих восстановительных газов и технологического кислорода. Способ получения восстановительных газов заключается в отмывке диоксида углеррда из колошникового газа моно этаноламином (возможно применение других поглотителей), нагреве отмытого газа до 1200 °С и вдувании его в горн доменной печи, что позволяет наиболее полно использовать тепловую и химическую энергию дефицитного кокса, снизив его расход на 25—30 % при увеличении производительности доменной печи. Альтернативой сорбционной отмывке является метод мембранной очистки, который подкупает простотой аппаратурного оформления, возможностью проведения процесса при температуре окружающей среды, причем эксплуатационные затраты сводятся практически к затратам на компремирование исходной смеси, а целевой продукт — восстановительные компоненты колошникового газа — покидает газораспределительный аппарат с давлением, близким к исходному, что облегчает их использование в восстановительных агрегатах, а выделенный диоксид углерода может быть утилизирован.

Путем расчетнотеоретических и экспериментальных исследований по разделению на

турного доменного газа осуществлен выбор оптимальных каскадных схем разделения и отечественных полимерных мембран, установлено, что очищенный на мембранах газ практически не содержит влаги и вместе с диоксидом углерода из колошникового газа удаляется до 30 % азота, что положительно скажется на балансе азота и коэффициенте рециркуляции в цикле получение восстановительных газов. Выполнен техникоэкономический анализ процесса [5].

Во время кампании работы доменной печи с вдуванием восстановительных газов испытана сборка промышленных аппаратов мембранного разделения общей производительностью до 500 м3/ч. За время работы комплекса в течение месяца не произошло значительных изменений газоразделительных характеристик мембран, работавших на сильно увлажненном газе, содержавшем от 1 до 10мг/м3 пыли. Аппараты работали в режиме, близком к режиму первой ступени газоразделительного каскада: в 1,52 раза увеличивалось содержание СО в остаточном и СОг в проникшем газе, что позволяет уверенно прогнозировать получение 23% окислителей в очищенном газе в двухступенчатой схеме разделения.

Основным недостатком, присущим всем способам применения горячих восстановительных газов в доменной плавке с рециклом очистки колошниковых газов, является то, что из общего энергетического баланса завода изымается доменный газ и даже в газонагревателях доменных печей приходится сжигать газ природный. Комбинирование применения мембранной очистки доменного газа с плазменной газификацией для получения восстановительных газов и экологически чистых газообразных энергетических топлив позволяет оптимальным образом связать энергетический баланс предприятия. Эффективность такого приема показана Сибгипромезом в одном из альтернативных вариантов реконструкции ЗСМК.

В целом выполненные разработки по применению плазменных и мембранных технологий получения восстановительных газов в металлургии позволяют переходить к сооружению опытнопромышленных установок— необходимому шагу к широкому промышленному освоению. Интерес к ним проявлен, в частности, иностранными фирмами и начаты переговоры об организации таких испытаний за рубежом.

Ввиду угрозы экологического коллапса необходимо срочно осваивать технологии, снижающие вредные выбросы в атмосферу наиболее неблагополучными отраслями промышленности — теплоэнергетикой и черной металлургией.

Плазменные технологии позволяют организовать экологически чистые процессы получения восстановительных газов из углеводородов, воды, углей.

Одним из основных источников энергии на обозримую перспективу остается уголь, комплексная переработка которого плазменнотермическим способом с получением электро и тепловой энергии одновременно с синтез газом при утилизации золы может стать универсальным средством улучшения экологической обстановки в районах размещения энергетических и металлургических предприятий.

Экспериментальные исследования, проектные разработки и экономические оценки показывают, что плазменная газификация угля позволяет получать синтезгаз.^ экологически чистое топливо для энергетики и эффективный восстановитель для процессов бескоксовой металлургии и коксосберегающей технологии доменной плавки.

Перспективными представляются и комбинированные плазменномембранные способы получения восстановительных газов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994