Раздел 6. Перспективные технологии в производстве чугуна, стали и ферросплавов

Раздел 6. Перспективные технологии в производстве чугуна, стали и ферросплавов

Представленные в данном разделе технические решения отражают передовые тенденции в развитии металлургических технологий и техники в направлении создания новых процессов, производства новых материалов, повышения энергоэффективности, обеспечения экологической безопасности.

Вместе с тем, их отличает различный уровень технической, конструкционной проработки и коммерческой готовности.

6.1 Перспективные технологии в агломерации

6.1.1 Применение технологии газовой агломерации

Технология газовой агломерации [155, 156] может быть осуществлена на любой ленточной агломашине (после реконструкции) на шихте, подготовленной и окомкованной обычными методами, но без добавления твёрдого топлива, при использовании высококалорийного газа. При работе на низкокалорийном доменном газе в шихту необходимо добавлять твёрдое топливо до  2 % углерода в шихте. Способ осуществляется путём установки специальных горелок над спекаемой шихтой по длине агломашины (рисунок 6.1).

1 - смеситель; 2 - телескоп; 3 - предохранительный клапан; 4 - смекаемая шихта; 5 - трубы для охлаждения

Рисунок 6.1 - Устройство горелки для сжигания газа в слое спекаемой шихты при газовой агломерации

Технология газовой агломерации без использования твёрдого топлива обеспечивает повышение качества агломерата по прочности, восстановимости, снижение содержания серы. Отсутствие в спекаемом слое твёрдого топлива приведёт к существенному уменьшению выбросов пыли, СО, SO _x и NO _x.

Опробована в опытно-промышленном режиме на агломашине площадью 50 м ² на доменном газе калорийностью 930 ккал/нм ³, удельная производительность достигала 1,6 т/м ² в час.

6.1.2 Применение активной извести

Технология введения активной извести в агломерационную шихту способствует повышению эффективности ее использования, увеличению высоты спекаемого слоя, повышению производительности агломашины, сокращению выбросов пыли за счёт повышения качества окомкования и агломерата. Для получения активной извести необходимо строительство на аглофабрике участка по обжигу извести.

Опробована в промышленном масштабе.

6.1.3 Подготовка агломерационной шихты к спеканию: дозирование, смешивание, окомкование

Применение нового современного оборудования для смешивания и окомкования шихты (высокоинтенсивные смесители) гарантирует повышение качества агломерата, снижение расхода коксовой мелочи, уменьшение выбросов пыли, СО, SO _x, NO _x.

Промышленно освоенная техника.

6.1.4 Онлайн-мониторинг химического состава агломерата (в том числе FeO в агломерате)

Уровень развития техники лазерно-искровой спектрометрии (LIBS) предоставляет возможность организовать онлайн элементный анализ железорудного сырья и FeO в агломерате. Аналитико-программные блоки SuPerMagnag и Laser Distance Analyzer Spectrometry MAYA позволяют в потоке определять состав агломерата, отдаваемого в доменный цех (оксиды железа FeO, Fe ₂O ₃, Fe ₃O ₄, основность и др. химические компоненты в агломерате). Технологическая схема управления доменной плавкой на основе онлайн контроля шихты показана на рисунке 6.2.

Система онлайн-мониторинга позволяет отслеживать химический состав агломерата в режиме реального времени, сокращает время корректирующего воздействия с 4 до 1 часа, делает возможным определение фактического Fe, Si, Ca, Mg, основности, оксидов железа в каждом загруженном агломератом вагоне.

На текущий момент на мировом рынке нет стандартного оборудования, внедрения ведутся на заводе Dillingen Rogeza (Германия) и ПАО "НЛМК":

Рисунок 6.2 - Принципиальная схема управления доменной плавкой при онлайн контроле состава шихтовых компонентов

6.1.5 Автоматическое дозирование флюсов в аглошихте

Химический состав сырьевых материалов для агломерационного производства значительно варьируется. Это одна из главных проблем на пути получения стабильного по содержанию железа и основности агломерата. Автоматический контроль химического состава сырья в режиме реального времени с помощью лазерного анализатора Laser Distance Analyzer Spectrometry MAYA позволяет получать в режиме on-line информацию об этих параметрах агломерационной шихты с ее использованием для оперативных корректировок состава шихты. Разработанная в ПАО "НЛМК" на базе лазерного анализатора MAYA автоматическая система дозирования флюсов позволяет стабилизировать основность агломерата, что ведет к сокращению расхода кокса в доменных печах (рисунок 6.3 а, б) [157, 158].

Внедрено в ПАО "НЛМК".

Применение лазерного анализатора MAYA на конвейере подачи железорудной смеси перед дозированием флюсов, позволяет видеть тренды изменения химического состава (Fe, CaO, SiO ₂, MgO) в железорудной смеси в режиме реального времени (рисунок 6.3 а, б) и автоматически корректировать дозировку флюсов.

А

Б

Рисунок 6.3 - Принципиальная схема системы автоматического дозирования флюсов с использованием лазерного анализатора MAYA (а) и интерфейс динамики изменения содержания Fe и CaO в железорудной смеси (б)

6.1.6 Применение полимерных (и минеральных) связующих для окомкования

В настоящее время применение полимерных добавок Anyonic Polimer Dispersant (APD) внедрено на некоторых предприятиях Японии (NSC, JFE), Европы и Бразилии. В России на некоторых аглофабриках проводились обширные исследования различных полимерных добавок и получены положительные результаты.

Ввод в агломерационную шихту полимерных добавок влияет на увеличение производительности агломашин, в частности увеличение вертикальной скорости спекания, которое достигается за счет повышения качества окомкования шихты (средний диаметр, прочность гранул и др.) [159], что сопровождается снижением пылеобразования, а также эмиссий оксида углерода.

6.1.7 Применение современных зажигательных горнов

В настоящее время существует несколько конструкций зажигательных горнов, предлагаемых различными мировыми и российскими компаниями. В промышленности эксплуатируются зажигательные горны с различным расположением горелок: на торцевых стенах со стороны входа в горн тележек с шихтой и со стороны их выхода; на боковых стенах; на своде [160, 161]. Типовые конструкции зажигательных горнов агломашин показаны на рисунке 6.4 (а, б).

А

Б

Рисунок 6.4 - Типовые конструкции зажигательных горнов агломерационных машин: а) вертикальное расположение горелок; б) горизонтальное расположение горелок

Замена зажигательного горна на современный вертикальной конструкции позволяет:

- уменьшить длину горна (2-5 м) - повышения производительности агломашины (не менее чем на 3 тонны в час);

- снизить затраты топлива (тепла) на работу горна в 2-3 раза (стандартные значения новых горнов 40-70 МДж/м ³);

- сократить расход газа (на 20-50 % и выше);

- увеличить выход годного на 3-5 % за счет равномерного распределения тепла при нагреве;

- сократить затраты на огнеупоры и услуги по ремонту, экономия времени увеличение межремонтного (или технического обслуживания) интервала (замена футеровки горна 1 раз в 6 лет отдельные конструкции до 8 лет).

6.1.8 Использование тепла воздуха после охладителей агломерата

Применение технологии утилизации тепла воздуха охлаждения агломерата (см. рисунок 6.5) способствует снижению затрат энергии на производство агломерата. Для сбора нагретого воздуха от охладителей устанавливаются улавливающие зонты, через которые нагретый воздух направляется в циклоны для удаления абразивной пыли и после этого по трубопроводам может подаваться:

- на теплообменники для выработки пара или горячей воды, с возможностью последующей выработки электроэнергии;

- на горелки зажигательного горна для снижения расхода газообразного топлива;

- в защитный колпак агломерационной машины, устанавливаемого после зажигательного горна.

Рисунок 6.5 - Технологическая схема оборудования охладителей агломерата и агломашин для утилизации тепла горячего воздуха

6.1.9 Установка горнов подогрева (перед зажигательным горном) и температурной выдержки (после зажигательного горна)

Целью установки горнов подогрева и температурной выдержки является использование теплоты подогретого воздуха, подаваемого с охладителя агломерата, снижение тепловых потерь излучением от верхнего раскаленного слоя шихты, покидающей зажигательный горн, и как следствие, снижение расхода газообразного и твердого топлива на процесс агломерации.

Пример установки горнов подогрева и выдержки представлен на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 - Использование тепла отходящих газов в горнах подогрева и на аглоленте

Подогрев агломерационной шихты осуществляется за счет подогретого воздуха, отводимого от охладителя агломерата. Подогрев шихты в горне подогрева достигает 200 °С (20-25 МДж/т агломерата). При этом установка горна подогрева позволяет сократить расход энергии на зажигание шихты до 25 МДж/т агломерата и расход газообразного топлива на 40-50 %.

Горн выдержки представляет собой металлический короб без днища, располагаемый за зажигательным горном. Его назначение сократить потери теплоты излучением от верхнего раскаленного слоя агломерационной шихты, покидающей зажигательный горн.

Экономия теплоты в этом случае составляет около 35 МДж/т агломерата и равноценный этой экономии теплоты расход твердого топлива [162, 163].

6.1.10 Применение электрофильтров

Технология применения электрофильтров с сухим пылеудалением для очистки технологических газов обеспечивает высокую степень очистки от мелких частиц пыли с эффективностью 90-95 %.

Промышленно освоена.

6.1.11 Применение тканевых (рукавных) фильтров

Технология применения тканевых (рукавных) фильтров для очистки отходящих технологических газов и аспирационного воздуха с высокой степенью очистки от мелких частиц пыли с эффективностью до 95-99 %.

6.1.12 Применение мокрых скрубберов для очистки отходящих технологических газов в вариантах:

6.1.12.1 Применение мокрых скрубберов для очистки от пыли (степень очистки до 98 %)

6.1.12.2 Применение мокрых скрубберов типа AIRFINE для очистки от пыли и газов, от SO _x, HF, HCl, ПХДД/Ф, тяжелых металлов

Промышленно освоены в зарубежной практике.

6.1.13 Снижение выбросов оксидов азота NO _x:

6.1.13.1 Применение для отопления горна горелок с низким образованием NO _x

Применение газовых рекуперативных горелок с принудительной подачей газа с неполным предварительным смешиванием и специальной закруткой газового потока обеспечивает эффективное сжигание газовоздушной смеси с меньшим образованием СО и NO _x. Горелочные устройства с такими характеристиками (например, типа ГНП.Р-250-31) промышленно освоены (см. рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 - Работа горелок ГНП.Р-250-31 в зажигательном горне агломашины

6.1.13.2 Применение селективного каталитического восстановления

Использование антрацита позволяет снизить выбросы NO _x примерно на 30 %. Большего эффекта можно добиться при использовании катализаторов, который вызывает химические превращения оксидов азота без их участия в самой химической реакции. При их применении эффективность нейтрализации оксидов азота составляет примерно 89 %.

Применительно к процессам агломерации не опробована.

6.1.14 Применение экспертных систем для оптимизации спекания агломерата

Главным преимуществом современной аглофабрики является высокий уровень АСУ ТП и оснащение современными экспертными системами не ниже 2 уровня.

В настоящее время на мировых аглофабриках популярны следующие экспертные системы: VAiron Sinter optimizer, SinterXpert.

Такие системы включают несколько управляющих модулей и саму экспертную систему, которая позволяет проводить автоматический анализ параметров работы аглофабрики, выдавать рекомендации персоналу, прогнозировать параметры работы, основываясь на математических моделях процессов, проводить автоматические корректировки. Системы имеют высокий уровень визуализации процесса производства агломерата.

Экспертная система последнего поколения VAiron Sinter optimizer внедрена на аглофабрике N 1 Dragon Steel (Тайвань). Позволяет оптимизировать технологический процесс от усреднения шихтовых материалов до выпуска готового агломерата, основываясь на материальном и тепловом балансе процесса агломерации. За счет использования эффективных алгоритмов система осуществляет регулирование параметров работы аглофабрики в целом и агломашин в частности: стабилизация основности агломерата, режим возврата, скорость агломашины, высота слоя, показатели зажигания и др. [164, 165].

Основные технические эффекты от внедрения VAiron Sinter optimizer:

- стабилизация качества агломерата за счет снижения (среднеквадратичного отклонения (СКО) показателя основности на 15 %;

- снижение расхода коксовой мелочи на 3 %;

- повышение производительности до 5 %.

6.1.15 Технология окускования дисперсных материалов методом брикетирования (жесткая вакуумная экструзия)

Технология брикетирования методом жесткой вакуумной экструзии (при давлении 5 МПа и выше) имеет в 3 раза более высокую производительность сравнительно с вибропрессованием, не требует тепловой обработки сырых брикетов, позволяет получать прочный материал (горячая прочность брикета из магнетитового концентрата и коксовой мелочи по показателю RDI _+6,3 превышает RDI _+6,3 агломерата основностью 1,2-1,6) изометрической формы и металлургических размеров, пригодный для загрузки в доменную печь (а также для использования в других металлургических агрегатах), подлежащий штабелированию и длительному хранению.

Технологическая схема процесса производства брикетов (они имеют специфическое название "брэксы") представлена на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8 - Технологическая схема производства брикетов методом жесткой экструзии [166]

Шихтовые компоненты после дозирования направляются в смеситель для гомогенизации состава, а далее через питающее устройство с вакуумным затвором (типа "глиномялки") подаются в экструдер, откуда выходят "брэксы" в виде стрежней определенного по усмотрению потребителя диаметра в диапазоне 5-35 мм и длины (см. рисунок 6.9).

Рисунок 6.9 - Промышленная фабрика по производству "брэксов" - штабелирование "брэксов" (А); разгрузка "брэксов" из экструдера (Б)

Технология брикетирования методом жесткой вакуумной экструзии весьма эффективна не только как метод утилизации техногенных материалов, но прежде всего в качестве экологически безопасной альтернативы процессу агломерации.

Первая фабрика производства брэксов на 700 тыс. т в год построена в ПАО "НЛМК".

6.2 Перспективные технологии при производстве кокса

6.2.1 Технология разгрузки угля на вагоноопрокидывателе с эффективной аспирацией места падения угля в приемный бункер

Технологией разгрузки угля с эффективной аспирацией предусмотрен равномерный по длине ротора отсос запыленного воздуха в месте его максимального выхода из зоны рассыпания угля в бункерах и наддув малозапыленного воздуха с противоположной стороны бункеров для подачи запыленных потоков воздуха в зону размещения отсосов. Для направления этих потоков на роторе вагоноопрокидывателя размещается направляющая. Аспирационный воздух подается на очистку от пыли, очищенный воздух дымососами выбрасывается в атмосферу. Уловленная пыль из бункеров циклонов винтовым конвейером подается к окомкователю, откуда выгружается в железнодорожный вагон, подаваемый на разгрузку. Схема аспирации вагоноопрокидывателя приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10 - Схема аспирации вагоноопрокидывателя

Технология разгрузки угля с эффективной аспирацией на вагоноопрокидывателе (с объемом аспирации 96,5 тыс. м ³/ч) внедрена на ПАО "НЛМК".

В СНГ технология трамбования реализована на Украине на коксовых батареях N 9 (1993 г.) и N 10 (2006 г.) ПАО "Алчевсккокс".

6.2.2 Технология частичного брикетирования шихты

Угольная шихта подвергается измельчению до крупности менее 3 мм и поступает в сушилку-классификатор, в которой происходит сушка и разделение шихты на два класса: мелкий и крупный. Затем крупный уголь подвергается скоростному нагреву до 350 °C в трубчатом подогревателе в потоке воздуха. Мелкие классы угля с температурой  160 °C после сушилки-классификатора поступают в двухвалковые прессы и подвергаются горячему брикетированию, после чего объединяются с крупными классами и загружаются в коксовую печь. Схема технологии приведена на рисунке 6.11.

Технологический процесс имеет следующие главные отличительные особенности:

- применение скоростного нагрева шихты позволяет сократить продолжительность коксования, снизить затраты энергии на коксование и повысить прочность кокса;

- на печах применяется система обогрева с малым выбросом оксидов азота (NO _x): использована схема с одноступенчатым подводом газа и трехступенчатым подводом воздуха в сочетании с рециркуляцией продуктов сгорания.

Новая технология обеспечивает возможность получения из шихты с 50 %-ным участием слабоспекающихся углей кокса, прочность которого по показателю DI ₁₅ ¹⁵⁰ выше 84 %, что определяет пригодность получаемого кокса для использования в доменной печи.

Рисунок 6.11 - Схема технологии частичного брикетирования шихты

6.2.3 Технология индивидуального регулирования давления в коксовых печах

Наиболее значимым новшеством последних лет в области охраны окружающей среды при производстве кокса считают [167] разработку, освоение и промышленное внедрение технологии индивидуального регулирования давления газа в каждой отдельной печи коксовой батареи. Новые решения стабильно обеспечивают пониженное давление в газосборнике, что позволяет отвести все газы загрузки в систему улавливания сырого коксового газа и практически исключить выбросы при эксплуатации коксовых печей.

Существует несколько вариантов реализации технологии: система PROven (рисунок 6.12) и клапан Sopreco (рисунок 6.13), а также отечественный вариант с регулированием по таймеру.

В системе PROven стояки коксовых печей сообщаются с газосборником с помощью клапанов новой конструкции - стационарных чашевидных клапанов FixCup с воронкообразными днищами с отверстием. В колене стояка установлены две распылительные форсунки, которые обеспечивают охлаждение сырого газа и орошают внутреннюю поверхность колена, препятствуя образованию смоляных и других отложений. Имеется трубопровод и клапан быстрого заполнения чаши клапана FixCup, когда печь отключают от газосборника.

Поскольку с применением системы PROven возможна работа при разрежении в газосборнике и за счет этого разрежения осуществляется отсос газов загрузки, необходимость в аспирации газов загрузки аммиачной водой или паром отпадает.

Преимущества новой системы работы газосборника:

- сокращение выбросов в атмосферу в процессе коксования, особенно во время загрузки;

- улучшение качества кокса за счет устранения недопалов в подсводовом пространстве;

- улучшение качества каменноугольной смолы в результате снижения уноса угольной пыли в газосборник;

- увеличение времени работы стояка между чистками.

Рисунок 6.12 - Схема системы PROven

Система успешно действует более чем на 2000 коксовых печах во всем мире, в том числе на 12 батареях в Китае; 11 - в Южной Корее; 9 - в Бразилии; на 1 - в США и на 3 - в Германии.

Клапан Sopreco (SingleOvenPressureControl) используется исключительно как регулирующий элемент и расположен между тарельчатым клапаном-гидрозатвором и стояком (рис. 6.13). Тарельчатый клапан-гидрозатвор сохраняется с целью обеспечения надежного отсоединения печной камеры от газосборника. Дополнительно система оснащается соответствующей аппаратурой измерения давления и программируемым устройством управления.

50 клапанов Sopreco эксплуатируются несколько лет на батарее N 3 завода ZKS с загрузкой шихты по технологии трамбования.

Рисунок 6.13 - Клапан SOPREСO

Отечественный способ регулирования в печных камерах отличается простотой и надежностью: регулирование давления производится не по сигналам многочисленных датчиков, а с помощью задатчика времени (таймера), который выдает сигналы на регулирование в зависимости от времени с начала загрузки данной печи. Регулирование гидравлического режима в каждой печной камере в отдельности обеспечивает механизм привода заслонки стояка для отвода газа из печи. В автоматическом режиме по схеме зон регулирования давления открытием-закрытием заслонки происходит регулирование поперечного сечения горловины стояка.

В отличие от зарубежных аналогов эта система может монтироваться на действующих батареях при последовательном плановом ремонте существующих стояков с установкой в клапанные коробки необходимых заслонок и постепенной заменой стояков на всей батарее. Такая работа является текущей, растянута по времени реализации и не требует значительных инвестиций.

6.2.4 Технология ступенчатого охлаждения кокса

Схема ступенчатого охлаждения кокса (вариант с использованием в качестве охлаждающего агента 2 ступени распыляемой в теплообменном барабане воды) приведена на рисунке 6.14 [168].

Выдаваемый из коксовых камер кокс с температурой  1000-1100 °C в коксовозном вагоне специальным подъемником подают на верх бункера I ступени охлаждения и через загрузочное устройство (1) высыпают в форкамеру (2). Далее кокс по мере разгрузки I ступени поступает в камеру охлаждения (3) и, проходя между рядами специальных панелей рекуперативного теплообменника (4), охлаждается до температуры  650 °C и попадает на разгрузочное устройство I ступени (5) и питатель (6). Пар, образующийся в рекуперативном теплообменнике за счет тепла кокса, с параметрами Р = 1,4 МПа и t = 320 °C, используют для энергетических нужд коксохимического производства.

Частично охлажденный до температуры  650 °C кокс посредством питателя (6) подают внутрь барабанного теплообменника (7), являющегося II ступенью охлаждения. Барабанный теплообменник (7) оснащен внутренними устройствами специальной конструкции (8). Эти устройства создают пересыпающийся и перемешивающийся поток кокса, который при вращении барабана продвигается от загрузочной (9) к разгрузочной (10) части теплообменника. Внутри барабанного теплообменника кокс посредством оснащенных распылительными форсунками трубопроводов (11) и регулировочных устройств (12) орошают водой. В результате ее испарения кокс охлаждается до температуры  200 °C.

Далее охлажденный кокс через разгрузочное устройство (13) выдают из теплообменника и направляют на сортировку и к потребителю.

Образующийся в теплообменнике II ступени охлаждения пар подают в обеспыливающий циклон (14), а пульпу из циклона возвращают на поступающий в барабан кокс. Обеспыленный пар подогревают продуктами горения топки (15) и сбрасывают в атмосферу через дымовую трубу (16).

Помимо представленного выше данная технология имеет и другие варианты:

- с использованием в качестве охлаждающего агента II ступени очищенных стоки после биохимической очистки, утилизацией тепла кокса в конденсаторе-холодильнике;

- для "мягкого" испарения коксохимических стоков в градирне системы оборотного водоснабжения;

- с утилизацией тепла кокса II ступени в холодильнике-конденсаторе на бытовые энергетические нужды;

- с использованием в качестве охлаждающего агента II ступени угольной шихты, поступающей на коксование.

Технология позволяет использовать для охлаждения кокса биохимически очищенные стоки коксохимического производства со значительным снижением химически загрязненных выбросов в атмосферу [169] по сравнению с традиционными способами охлаждения; использовать тепло выдаваемого из коксовых камер кокса ( 40 %) на производство энергетического пара высоких параметров (Р = 1,4 МПа, t = 320 °C).

Опробована на опытно-промышленной установке производительностью по коксу  10 т/ч.

Рисунок 6.14 - Схема технологии ступенчатого охлаждения кокса

6.2.5 Технология выдачи и косвенного тушения кокса Kress/КIDC

Технология представляет собой способ беспылевой выдачи и косвенного сухого тушения кокса [170], обеспечивающий предотвращение выбросов при выдаче и тушении кокса. В соответствии с этим способом, получившим название КIDC [171], выдача кокса производится в стальной вагон-контейнер, идентичный по форме и размеру печной камере. Контейнер затем перевозится на тушильную станцию и орошается водой, в результате чего обеспечиваются мягкие условия охлаждения кокса без контакта его с водой. Опробование этого способа на заводе "Грэнит Сити" фирмы "Нэшнл стил" (США) в 1987 г. показало принципиальную пригодность его для предотвращения выбросов как при выдаче, так и при тушении кокса [172, 173].

Оценивая возможности применения системы на отечественных предприятиях, необходимо отметить, что для этого потребуется полностью пересмотреть комплекс машин и оборудования коксовой стороны батарей. Это связано с очень большими капитальными затратами и в условиях реконструкции действующих предприятий представляется весьма проблематичным.

Технология опробована на заводе "Грэнит Сити" фирмы "Нэшнл стил" (США) и внедрена на заводе "Спарроус Пойнт" фирмы "Бетлихем стил".

6.2.6 Технология улавливания и очистки выбросов при обработке дверей печных камер

С целью уменьшения выбросов, образующихся при основных технологических операциях обработки дверей и печей (снятии дверей печных камер перед выдачей, их очистке, забрасывании концов, чистке привалочных поверхностей и установке дверей на место), предусмотрена установка аспирации и очистки на коксовой стороне батареи.

Установка состоит из двух зонтов, газоходов, рукавного фильтра и дымососа. Один зонт предназначен для захвата выбросов от печи и имеет возможность перемещения по направлению к печи с одновременным присоединением к стационарно расположенному газоходу. Другой зонт размещен над механизмом чистки дверей. Газоходы от зонтов соединяются в общий газоход, направляемый к рукавному фильтру и далее к дымососу. В газоходе имеется искрогаситель, предотвращающий попадание раскаленных частиц в рукавный фильтр. Материал рукавов термоустойчив до 550 °C.

Объемы выбросов сокращаются на 93,8 %.

Установка внедрена на ПАО "Кокс".

6.2.7 Технология утилизации газов холодных свечей УСТК путем передачи их в газопровод доменного газа

Эксплуатация УСТК сопровождается загрязнением окружающей среды при сбросе в атмосферу избыточного охлаждающего агента через "холодные" свечи дымососом тракта циркуляции. Основные компоненты сбрасываемого газа - оксид углерода (СО), взвешенные вещества (пыль), а также присутствуют бензапирен, сероводород, аммиак, диоксид серы и другие загрязняющие вещества. По регламенту содержание СО в циркулирующем теплоносителе должно быть в пределах 8-12 %.

Для снижения выбросов через холодные свечи УСТК применяется технологический прием - дожигание СО с помощью кислорода воздуха, подаваемого в тракт циркуляции охлаждающего агента - кольцевой канал камеры УСТК. Данный прием приводит к снижению концентрации СО в газе, но в то же время - увеличению угара (потерь) кокса, выгружаемого из камер, увеличению объема выбрасываемых газов.

Существует несколько вариантов технических решений по утилизации избыточных газов УСТК и ликвидации выброса их в атмосферу:

- отводить их в газопровод коксового газа;

- сжигать в специальной котельной;

- очищать перед сбросом в атмосферу и т.д.

Наиболее приемлемым решением является передача их в газопровод доменного (бедного) газа для последующего применения в качестве топлива в металлургическом производстве. Доменный газ подобен по составу циркулирующему газу УСТК и отличается содержанием СО.

Перед передачей избыточных газов УСТК в газопровод доменного газа его необходимо очистить пыли и несколько повысить его калорийность. При этом нужно в постоянном режиме определять его состав, при необходимости в автоматическом режиме корректировать содержание СО и поддерживать его на уровне не менее 12 %. Для этих целей сооружается специальная установка. Для стабилизации калорийности газ обогащается топливом (коксовым или природным газом) до 800 ккал. на 1 тыс. м ³.

Эффективность технологии: снижение валовых выбросов вредных веществ; утилизация избыточного циркуляционного газа; снижение расхода углей на коксование за счет снижения потерь кокса при тушении на УСТК.

Технология внедрена на АО "ЕВРАЗ НТМК".

6.2.8 Технология коксования без улавливания химических продуктов

Печи коксования по данной технологии горизонтальные (см. рисунок 6.15) и находятся под небольшим разрежением. В основном газ для горения подается через порты в дверях и частично сжигает образующиеся летучие вещества в камере коксования. Дополнительный воздух подается в изогнутые каналы, которые пролегают в днище печи. Конструкция каналов, а также контроль потока воздуха позволяют балансировать скорость коксования сверху и снизу.

Горячие газы проходят по туннелю для отходящих газов к бойлерной установке, на которой получают пар высокого давления для производства электроэнергии или отопления. Охлажденный отработанный газ очищается от серы известковым молоком с получением гипса, который в основном используется в строительном производстве.

Отмечается, что с точки зрения влияния на окружающую среду технология производства кокса рекуперативного типа обладает меньшим воздействием, чем коксохимический вариант. Ввиду отрицательного давления и сжигания летучих продуктов, технология производства кокса рекуперативного типа значительно снижает выбросы токсичных газов через неплотности оборудования. Конфигурация слоя угля также обеспечивает значительно меньшие выбросы пыли.

Рисунок 6.15 - Разрез печи рекуперативного типа

Для полного сжигания смолистых веществ и бензольных углеводородов требуется обеспечить их смешение с воздухом при высоких значениях коэффициента избытка воздуха и достаточном времени для прохождения реакции окисления.

Необходимо отметить, что как традиционное коксохимическое производство, так и технология с батареями рекуперативного типа способны производить кокс высокого качества, достаточного для применения в доменных печах высокой производительности. Множество различных факторов могут повлиять на решение о выборе технологии, например, размер участка и доступность энергетических ресурсов, конфигурация металлургических предприятий, потребителей энергии, региональные проблемы защиты окружающей среды, стоимость оборудования и, естественно, срок окупаемости.

Технология характеризуется рядом преимуществ: исключение выбросов из дверей, люков и стояков коксовых печей, ликвидация химических цехов и установок, устранение загрязнения водного бассейна и образования отходов химических цехов (фусы, кислая смолка, полимеры и т.д.).

Технология внедрена на многих предприятиях за рубежом (Китай, США, Индия, Австралия).

6.2.9 Технологический процесс сжигания части сточных вод

Разработана принципиально новая технология, позволяющая решить проблемы утилизации загрязненных сточных вод и избытка коксового газа. Суть новой технологии заключается в термическом обезвреживании сточных вод при сжигании коксового газа.

Технологический процесс сжигания части сточных вод после установки биохимической очистки (БХУ) позволяет отказаться от прямого сжигания в факельной системе значительных количеств коксового газа, уменьшить гидравлическую нагрузку на БХУ, что приводит к улучшению степени очистки стоков, а также снизить долю сточных вод после БХУ в системе мокрого тушения кокса.

При совместном сжигании коксового газа и сточных вод содержащиеся в очищенных сточных водах примеси восстановительного характера (аммиак и др.) позволяют в определенном температурном интервале значительно снизить содержание оксидов азота в дымовых газах. Кроме того, сжигание сточных вод при высоких температурах приводит к сокращению номенклатуры выбрасываемых в атмосферу веществ по сравнению с мокрым тушением, с полным исключением органических соединений, а за счет замещения промышленной водой части очищенной сточной воды в процессе мокрого тушения кокса - к уменьшению концентрации загрязняющих веществ в выбросах из башни тушения.

Установка состоит из двух автономных технологических линий с реакторами сжигания, каждая из которых содержит емкости сточной воды, насосы для подачи воды, фильтры для доочистки сточных вод от механических примесей и реактор с трубопроводами подвода коксового газа, сточной и промышленной воды. Установка содержит также общую для обеих технологических линий емкость промышленной воды с насосами и фильтрами. Схема одной технологической линии приведена на рисунке 6.16.

Технология внедрена на ПАО "Кокс", позволяет сократить выбросы из факельной системы и из башни тушения и обеспечить достижение полной бессточности коксохимического производства.

Рисунок 6.16 - Схема установки сжигания сточных вод

6.2.10 Совместная утилизация твердых и жидких отходов

На установке предусмотрен приемный бункер, куда выгружаются каменноугольные фусы после мехосветлителей химических цехов, доставляемые к установке утилизации автотранспортом. Имеется сборник-накопитель для жидких химотходов, куда периодически закачивается эмульсия после нейтрализации.

Из приемного бункера фусы передаются в один из двух бункеров-накопителей твердых отходов, где осуществляется их постоянная циркуляция через мокрый измельчитель (мацератор). Поступившие фусы и эмульсия из соответствующих бункеров-накопителей и сборника-накопителя закачиваются в сборник - смеситель готовой суспензии, где осуществляется их постоянное циркуляционное перемешивание. Дозировочным насосом из сборника - смесителя готовой суспензии периодически выполняется подача суспензии на ленту с шихтой. В месте непосредственной подачи суспензии на шихту на транспортере устанавливается роторный смеситель специальной модели, с помощью которого выполняется перемешивание до однородного состояния дозируемой суспензии с шихтой на ленте.

Установка сооружена на АО "Уральская Сталь".

6.3 Перспективные технологии производства чугуна

6.3.1 Технология доменной плавки на подготовленном сырье, комбинированном дутье и повышенным расходом ПУТ

Технология доменной плавки на подготовленном сырье, комбинированном дутье с повышенным расходом ПУТ, с расходом природного газа 40-80 м ³/т чугуна, кислорода до 28-32 %, ПУТ до 160-180 кг/т. При этом достигается удельная производительность 2,1-2,3 т/м ³ сут, расход кокса снижается до 330-350 кг/т.

6.3.2 Доменная плавка с высоким расходом кислорода и природного газа ("кислородная плавка")

Доменная плавка на кислородном дутье и природном газе приведёт к отказу от воздухонагревателей дутья, повысит восстановительный потенциал газов в печи, в том числе за счёт большой доли водорода, ускорит процессы восстановления, позволит уменьшить высоту доменной печи и снизить требования к прочности кокса, сократит его потребность.

Доменный газ не будет содержать балластный азот, с меньшими затратами можно будет осуществить отмывку колошникового газа от СО ₂.

6.3.3 Выплавка чугуна с применением офлюсованных окатышей.

Для обеспечения устойчивой и высокопроизводительной эксплуатации доменной печи важно обеспечивать высокую проницаемость зоны когезии для газов и жидких продуктов плавки. Создание нужных условий и положения вязкопластичной зоны плавления (когезии) выполняется за счет контроля и управления химическим составом и свойствами окатышей и агломерата.

Добавление флюсов на основе Ca и/или Mg в шихту при производстве окатышей улучшает их металлургические свойства, особенно, восстановимость и повышает температуры размягчения и плавления. Офлюсованные окатыши обеспечивают более высокую газопроницаемость, более быстрое восстановление и, следовательно, более низкий расход кокса.

Офлюсованные окатыши имеют следующие преимущества:

- процесс разложения карбонатных флюсов выводится из ДП (снижение расхода кокса) и производится при обжиге окатышей;

- добавленный известняк (флюс) после обжига дает дополнительную пористость в обожженных окатышах, тем самым повышая восстановимость окатышей;

- температура размягчения и плавления увеличивается на 100-200 °С и сопоставима с характеристиками плавления агломерата. Зона плавления (когезии) сужается (уменьшаются температуры начала и окончания плавления первичных шлаков), уменьшая перепад давления от фурм до уровня засыпи и способствуя более плавному схождению шихты и росту производительности ДП;

- при добавлении офлюсованных окатышей снижается FeO в первичных шлаках, снижаются тепловые потери (частично этот эффект может быть компенсирован увеличением FeO;

- корни зоны когезии при использовании офлюсованных окатышей ближе к фурмам и, в результате, меньше SiO ₂ восстанавливается в Si в жидком чугуне;

- добавление флюса через окатыши приведет к уменьшению основности агломерата и изменению его металлургических свойств, химического состава, повышения Fe в агломерате (противоположно уменьшится Fe (хим. состав) в окатышах (при их офлюсовании);

- снижение содержание FeO в первичных шлаках уменьшит износ футеровки ДП.

Современная теория доменного процесса, многочисленные промышленные эксперименты, проведенные за рубежом, показывает, что увеличение доли офлюсованных окатышей или полный переход на офлюсованные окатыши в доменной шихте приводит к снижению расхода кокса и повышению производительности ДП.

6.3.4 Десиликонизация чугуна в желобе ДП или чугуновозном ковше

Основные цели десиликонизации:

- уменьшение количества шлака и расхода флюсов;

- увеличение выхода железа и марганца;

- существенное сокращение теплопотерь со шлаком;

- снижение расхода и потерь огнеупоров;

- создание условий для дефосфорации и десульфурации чугуна;

- стабилизация процесса выплавки стали в конвертере и повышение качества стали.

Существуют несколько способов и режимов подачи реагентов при десиликонизации [202-203], некоторые из них иллюстрирует схема рисунка 6.17:

Способ	Агрегат	Метод
Непрерывный	Желоб ДП	Загрузка реагентов
	Качающийся лоток	Вдувание реагентов
Порционный	Чугуновозный ковш (торпеда)	Вдувание реагентов
	Заливочный ковш	Вдувание реагентов

Реагентами для десиликонизации являются материалы, несущие источник кислорода для окисления кремния:

- газообразный кислород;

- твердые оксиды: прокатная окалина, мелочь агломерата и окатышей, марганцевая и богатая железная руда.

Рисунок 6.17 - Схематичное представление метода десиликонизации в желобе ДП

а) - загрузка реагента в желоб, б) - вдувание реагента в желоб (BF - доменная печь).

6.3.5 Вдувание отходов пластмасс

Технология вдувания пластиковых отходов в ДП внедрена впервые на металлургических заводах "Stahlwerke Bremen" в 1993 году (ДП N 2) и в Японии на JFE Steel (ранее NKK) в 1996 г.

Схема переработки отходов пластмасс в Европе и Японии похожи. Годную для повторного использования пластмассу выделяют на мусоросортировочных заводах из общей массы отходов (рисунок 6.18). Несортируемая смесь пластмасс (упаковочный материал) перерабатывается в дисперсный материал для вдувания в доменные, коксовые и цементные печи [174-176].

Целями внедрения вдувания отходов пластмасс являются:

- безопасная утилизация пластмасс, в том числе хлорорганических соединений;

- извлечение пластиковых отходов из отходов объёма ТБО, снижение хлорорганических выбросов (диоксины, фураны) на мусоросжигательных заводах;

- увеличение ресурса полигонов под размещение отходов пластмасс или канцерогенной золы после сжигания пластмасс;

- использование пластмассы (ПЛ) как топлива в ДП с коэффициентов замены 0,8-0,9 кг/кг кокса с расходом до 80 кг/т чугуна (рекомендуемый расход без сажеобразования до 50 кг/т чугуна).

Рисунок 6.18 - Упрощенная блок схема технологии вдувания отходов пластмасс (NKK, Япония)

Технология подготовки отходов пластмасс для вдувания в доменные печи включает дробление, выделение примесей и получение дисперсного или гранулированного материала.

6.3.6 Воздухонагреватель конструкции Калугина (ВНК) с подогревом воздуха горения

Нагрев дутья осуществляется в бесшахтных воздухонагревателях со струйно-вихревой горелкой с подогревом воздуха горения в малых ВНК. Обеспечивает дутье до 1400 °C. Срок эксплуатации - 30 лет, концентрация СО в отходящем газе - не более 50 мг/м ³. Концентрация NO _x - не более 100 мг/м ³.

6.3.7. Использование плазменных горелок для повышения температуры дутья

Плазменные горелки (плазмотроны) - это электродуговые газовые нагревающие устройства, использующие высокую температуру, ионизированный и проводящий газ для обеспечения непосредственной передачи тепла от дуги.

В последние годы надежность и эксплуатационные параметры плазмотронов были существенно улучшены. Но при этом предлагаются и новые идеи по применению плазмотронов - установка смесителя холодного и горячего дутья вместо индивидуальных доменных фурм, как это было раньше.

Четырехпальчиковый смеситель холодного дутья смешивает холодный воздух с горячим воздухом, выходящим из воздухонагревателей через четыре отверстия для управления температурой дутья - это общераспространенный способ управления температурой дутья. Из-за добавления холодного воздуха происходит определенная потеря температуры подогретого дутья, поступающего из воздухонагревателей (рисунок 6.19).

a) управление температурой на отверстиях холодного смешивания; b) температурный контур воздушного дутья на расстоянии 5 метров за холодным смесителем

Рисунок 6.19 - Смеситель холодного дутья и температурный профиль

Использование "горячего смесителя" позволяет увеличить температуру горячего дутья выше уровня, обеспечиваемого на выходе из воздухонагревателя, и поддерживать эту температуру на постоянном уровне. Установка плазмотронов на "горячем смесителе" представлена на рисунке 6.20.

а) температурные контуры на отверстиях "горячего смесителя"; b) температурный контур воздушного дутья на расстоянии 5 м за горячим смесителем

Рисунок 6.20 - Установка плазмотронов на смесителе горячего дутья и температурный профиль дутья

Применение плазматронов и технология "горячего смесителя" по предварительным расчетам дает увеличение температуры дутья на + 132 °С [177, 178].

6.3.8 Технология доменной плавки с вдуванием горячих восстановительных газов

В целях повышения энергоэффективности доменной плавки разработана и опробована технология вдувания горячих восстановительных газов (ГВГ).

Сопоставление традиционной схемы производства конвертерной стали и схема производства конвертерной стали с применением технологии ГВГ приведены на рисунке 6.21. Подобная технология на 50 % исключает использование природного газа в доменной плавке, повышает производительность доменной печи на 25,0 %, снижает расход кокса на 30 %, обеспечивает снижение себестоимости чугуна на 10-12 % [179].

Рисунок 6.21 - Сопоставление традиционной схемы производства стали (а) и схемы производства стали с применением технологии ГВГ (б)

6.3.9 Политопливный газогенератор

В мире широко распространены технологии газификации углей. Произведенный генераторный газ может использоваться как энергоноситель для производства электрической и тепловой энергии, в качестве энергоносителя на предприятиях металлургии, а также в качестве ГВГ для вдувания в доменные печи. Одной из наиболее перспективных разновидностей технологии газификации углей является их газификация в жидком шлаковом расплаве (в барботажных печах). Предлагается использовать политопливные газогенераторы для производства ГВГ с последующим вдуванием их в доменные печи [180]. Политопливный газогенератор конструкции НИТУ "МИСиС" показан на рисунке 6.22.

Рисунок 6.22 - Политопливный газогенератор конструкции НИТУ "МИСиС" [180]

Вдувание ГВГ на уровне до 400 м ³/т чугуна приводит к существенному (до 104 кг/т чугуна) снижению расхода кокса. При этом расход дутья снижается на 200-220 м ³/т, выход шлака уменьшается на 10 кг/т при неизменной производительности печи и улучшении параметров доменного газа (выхода и калорийности).

6.3.10 Газоочистка доменного газа сухого типа

Основной аппарат очистки доменного газа представлен рукавным фильтром. Позволяет снизить затраты на обслуживание газоочистки, увеличить производительность доменной печи, уменьшить расход кокса, снизить водопотребление.

Промышленно освоена на одном предприятии.

6.3.11 Применение шлаковозов миксерного типа объёмом 36 м ³

Использование таких ковшей (рисунок 6.23) исключает образование ковшевых остатков, благодаря образующемуся гарнисажу; увеличивает на 20-25 % количество перерабатываемого в жидком виде шлака; ускоряет оборот шлаковозов и сокращает их число в 3-5 раз; позволяет почти полностью улавливать содержащийся в шлаке металл; удлиняет срок службы шлаковозов.

Опробован в опытно-промышленном режиме.

Рисунок 6.23 - Шлаковоз-миксер вместимостью 36 м ³

6.3.12 Применение на доменных печах АСУ-ТП, повышающих эффективность доменной плавки путём непрерывного автоматического контроля состояния печи и измерения технологических параметров с их анализом и рекомендациями по оптимизации и прогнозированию теплового состояния печи

Применение на печах с БЗУ автоматизированной системы контроля, оптимизации и прогноза доменной плавки с модулями контроля, оптимизации и прогноза гарантирует безошибочность ведения доменной плавки для достижения высоких технико-экономических показателей и минимизации расхода кокса.

Применение на печах с БЗУ автоматизированной системы непрерывного контроля и оптимизации зоны плавления с помощью математических моделей теплового состояния печи, которая позволяет вести постоянный автоматический контроль параметров зоны плавления. Это дает повышение эффективности работы, в том числе экономию расхода кокса и срока службы доменных печей.

6.3.13 Применение автоматизированной системы модели управления аглококсодоменным производством, основанной на совместном применении методов интеллектуального анализа данных

Применение автоматизированной системы модели управления аглококсодоменным производством, основанной на совместном применении методов интеллектуального анализа данных. Обеспечивает повышение качества агломерата и кокса при минимизации расхода последнего, снижение себестоимости чугуна на 2-3 %.

6.3.14 Системы визуализации процессов в доменной печи

Популярным комплексом систем для визуализации являются:

- камеры на фурменные приборы (рисунок 6.24) - необходимы для визуального контроля процесса горения ПУТ в фурменном очаге, предупреждения и снижения прогаров фурменных приборов из-за отклонений в их работе или прогаров копей ПУТ, а также дает оператору возможность понимать характер распределения комбинированного дутья по окружности доменной печи;

- исследование загрузки шихты - траектория загрузки шихты и профиль поверхности засыпи может быть получен с помощью этой системы до задувки доменной печи; данные по траектории загрузки очень важны для технологов при проектировании матрицы загрузки бесконусного загрузочного устройства при задувке печи и корректировки ее во время эксплуатации доменной печи;

- онлайн лазерный детектор профиля засыпи - для наблюдения за профилем поверхности шихты в режиме реального времени (рисунок 6.25).

Применение этих систем технологами на доменных печах расширяет их возможности по улучшению технологии доменной плавки со снижением расхода топлива и позволяет снизить потери производства от незапланированных простоев доменной печи [181-183].

Рисунок 6.24 - Фурменная видеокамера

Рисунок 6.25 - Онлайн лазерный детектор профиля засыпи. Исследование загрузки шихты

6.4 Перспективные технологии производства стали в конвертерах

6.4.1 Применение устройства плазменного подогрева металла в промежуточном ковше МНЛЗ

Устройство плазменного подогрева металла в промежуточном ковше позволяет снизить перегрев стали над ликвидусом и стабилизировать температуру разливаемой стали, что положительно сказывается на качестве непрерывнолитой заготовки и повышает выход годного металла.

В результате применения технологии увеличивается серийность разливаемой стали, снижается уровень отходов в виде обрези и окалины при финишной обработке продукции.

Промышленно освоенная технология.

6.4.2 Технология переработки железосодержащих материалов в жидкой шлаковой ванне без предварительной подготовки (окускования) шихтовых компонентов (процесс РОМЕЛТ)

Низкие удельные расходы энергоносителей: на 20-50 % ниже, чем у лучших мировых аналогов.

Опробована в опытно-промышленном масштабе, построена промышленная установка (см. рисунок 6.26).

Рисунок 6.26 - Процесс РОМЕЛТ

6.4.3 Новая (контактная оптиковолоконная) система контроля температуры жидкой стали (в конвертере и на установках "ковш-печь")

Система может устанавливаться в любой огнеупорной конструкции, в том числе в существующих огнеупорных изделиях. Расходной частью при этом является только оптоволокно. Измерение возможно проводить как непрерывно, так и дискретно.

Применение данной системы позволит:

- в непрерывном режиме осуществлять измерение температуры в конвертере и на установках "ковш-печь";

- снизить расход ферросплавов на 5-10 % (экспертно) за счет точной информации о температуре расплава во время внепечной обработки на установках "ковш-печь".

6.4.4 Автоматизированная система контроля качества поверхности и структуры на МНЛЗ

Данная интеллектуальная система позволяет определить браковочный признак по дефектам поверхности заготовки и соответствие структурного состояния заготовки заданным параметрам.

Эффективность технологии: сокращение отбраковки по дефектам поверхности и структуре заготовки, снижение отходов при финишной обработке металла.

6.4.5 Технологический комплекс стабилизации жидких сталеплавильных шлаков и их последующей переработки

Технология интенсивного охлаждения шлака реализуется в установке, называемой "Барабанный кристаллизатор", который представляет собой вращающийся барабан (рисунок 6.27). Внутренний объем барабана поделен на некоторое количество секций, заполненных металлическими шарами. Каждая секция перекрыта колосниковой решеткой, а сам барабан помещен в тепло-шумоизолирующий кожух, имеющий проемы для подачи расплава и выгрузки затвердевшего шлака размером 50-100 мм.

Существо технологии заключается в предотвращении самопроизвольного распада шлака из-за полиморфного превращения двухкальциевого силиката за счет его кристаллохимической стабилизации при быстром охлаждении.

Производительность установки