ЖИДКОФАЗНЫЙ, ТВЕРДОФАЗНЫЙ ИЛИ КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБЫ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В СВЕТЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ

При разработке новых технологий и новых экологически чистых металлургических агрегатов необходимо решение двух проблем: радикальное сокращение энергетических и материальных затрат в несколько раз (до порядка) и снижение до минимума вредных выбросов самими агрегатами.

Основным элементом металлургического цикла извлечения железа из железорудного концентрата является окислительновосстановительная химическая реакция: восстановление оксида железа до железа и окисление восстановителя. Для реализации этой реакции необходимо смешение оксидов с восстановителем на атомарномолекулярном уровне и подвод энергии к месту реакции. В качеств восстановителя и источника энергии могут использоваться как разные вещества, так и одно и то же вощество. В черной металлургии это обычно углерод, водород, монооксид углерода или их механические смеси и химические соединения. Природными восстановителями являются углерод и водород в виде угля, нефти и природного газа. Они же в основном используются в качестве источников энергии, например путем сжигания в технологическом агрегате, специальном теплообменнике, на электростанции. Так, в доменной печи восстановителем и источником энергии является кокс. В современном металлургическом производстве расход топлива как источника энергии значительно превышает его расход в качестве восстановителя. Расход энергии и вещества может в широких пределах изменяться в зависимости от схем массо и теплообмена.

Принципиально можно представить следующие типы металлургических реакторов: с источником энергии в самом реакторе (за счет сжигания топлива), т.е. энерготехнологические, чисто технологические, в которых энергия подается извне, и смешанные — комбинация двух первых.

Для первого реактора процесс можно представить в виде следующей схемы: О + В +Т + + П + Ф + В0 = М + Ш + Г, где О — оксид; В— восстановитель; Т — топливо; П — примеси; Ф — флюс; В0 — воздух; М — металл; Ш — шлак; Г — газ технологический; для второго О + В + Ф + Э + П =М + Ш + + Г, где Э — количество энергии, вводимой в реактор извне.

В реакторах обоих типов при одинаковых температурах процесса и одинаковых температурах получаемых продуктов требуется существенно разный расход энергии, пропорциональный массам участвующих веществ. В первый реактор вносятся примеси с оксидами, восстановителем, топливом, флюсами и воздухом (азот), во второй реактор только с оксидом, восстановителем и флюсом. Для меньшей массы примесей нужна меньшая масса флюсов, а отсутствие во втором реакторе топлива и воздуха для его сжигания еще в большей степени сокращает массу вещества. При равных производительностях реакторов по выпуску металла во втором реакторе ниже выход шлака и технологического газа. Только по отмеченным недостаткам первого реактора в нем труднее получить высокое качество выплавляемого металла; последнее существенно зависит от качества топлива.

Следует также отметить возникающее противоречие при использовании в реакторе восстановителя и топлива: для максимального выхода металла (минимума оксидов) необходима восстановительная среда, для полного же сжигания топлива среда должна быть окислительной. При исключении топлива из реактора это противоречие снимается. В этом случае относительно небольшая масса восстановителя может быть высокого качества (и дорогая), а требования к топливу, сжигаемому вне металлургического реактора, могут быть менее высокими (оно может быть более дешевым).

Затраты энергии на собственно химическую

реакцию, зависят от типа восстановителя. Так, при восстановлении углеродом необходимо 4,4ГДж/т железа (при окислении до СО) и 2,1ГДж/т железа (при окислении до С02), при восстановлении метаном 2,8ГДж/т железа, водородом 0,9ГДж/т железа, а реакция с СО становится слабо экзотермической. Смесью СО и Hj можно восстановить Fe203 при 0°С без затрат энергии на собственно химическую реакцию. С повышением температуры продуктов реакции и уменьшением степени использования восстановителя затраты энергии возрастают в несколько раз, и они должны компенсироваться в первом реакторе сжиганием топлива, а во втором — подводом энергии извне. Реальные затраты энергии только в реакторах (HylШ, Корекс, Плазмасмелт, Мидрекс, домна) составляют 10—15 ГДж/т железа. Идеальной технологией с экологической точки зрения является низкотемпературное восстановление железорудного суперконцентрата водородом или монооксидом углерода. Все производство может быть полностью герметичным. Транспорт порошкообразных металлического и неметаллического порошка, суперконцентрата и флюса, а также восстановителя можно осуществлять с помощью трубопроводов. Подвод энергии электрический, позволяющий сохранить герметичность реактора. Восстановитель используется практически полностью: водород очищается от паров воды конденсацией и возвращается в реактор, СО очищается от С02 аналогично. Железный порошок транспортиру . ется потребителю либо в контейнерах, либо в виде поковок. Вода или С02 могут быть использованы. Энергетические затраты дополнительно необходимы для получения суперконцентрата или активного водорода, или СО. Реализация рассмотренной технологии в настоящее время невозможна, так как необходимое количество сравнительно дешевого водорода можно получить после овладения термоядерной реакцией, а суперконцентрат — при , наличии высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Необходимы также новые материалы для транспорта водорода.

Другим вариантом прямого получения железа является жидкофазное восстановление. Наиболее перспективным является жидкофазный реактор, в котором реализуется процесс, характерный для вторичной реакционной зоны кислородного конвертера. В этой зоне жидкие оксиды железа, поступающие из первичной зоны, восстанавливаются с очень большой скоростью углеродом, растворенным в железе. Такой реактор много компактнее, чем твердофазный, так как в первом случае процессы совершаются в жидкости (конденсированной среде) и при высокой температуре, а во втором — в псевдоожиженном слое. Производи

телыюсть жидкофазного реактора вполне сравнима с производительностью кислородного конвертера. Этот реактор является вариантом первого типа: 0 + В + Т + П + Ф + К = М + + Ш + Г, где В и Т угольный порошок, а Во технический кислород К.

Замена воздуха кислородом сокращает потери теплоты с технологическими газами Г и позволяет не только восстановить оксиды, но и получить жидкий металл.

Реактор жидкофазного восстановления, заменяя доменную печь и сталеплавильный агрегат, исключая агломерацию и производство кокса, решает экологическую проблему в собственно металлургическом процессе, однако не дает существенных преимуществ в отношении расхода массы вещества и энергии. Кроме того, для работы реактора необходим больший расход технического кислорода, чем в традиционной черной металлургии.

Радикально решающим экологическую проблему в черной металлургии может явиться комбинированный агрегат, в котором используются лучшие элементы жидко и твердофазной технологии. Этот агрегат может сделать само металлургическое производство экологически чистым.

Одновременно в результате экономии энергии до 50% существенно снизится ущерб, наносимый природе за пределами металлургического завода.

Как показывают исследования, высокую производительность агрегата, минимальный расход энергии и нормальную экологическую обстановку можно получить посредством достижения минимальной среднемассовой температуры в реакторе или получаемых продуктов реакций или части их; использования в качестве восстановителя углерода, монооксида углерода, водорода, а также их смесей в зависимости от теплового баланса зон; реализации противоточнойь схемы теплообмена потоков восстановителя и восстанавливаемого материала или замкнутой рециркуляционной системы газавосстановителя; достижения минимальных размеров восстанавливаемых частиц с минимальными примесями и осуществления подвода энергии и восстановителя к поверхности каждой частицы; герметизащш реактора и герметичной трубопроводной системы доставки исходных веществ в реактор; полной автоматизации процесса и минимальной численности обслуживающего персонала; надежности оборудования и безопасности труда.

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