Отримання відновного газу

Підготовка газоподібного палива (природного і супутнього газів) полягає у десульфу рації та конверсії. Конверсія — процес окиснення вуглеводнів палива (переважно метану) під час взаємодії їх з вугле­кислим газом, водяною парою або киснем:

СН₄ + С0₂ = 2СО + 2Н_2> ДЯ₂₉₈ = 357 800 кДж; (2.3)

СН₄ + Н₂0 = CO + ЗН_2> ЛЯ₂₉₈ = 250 120 кДж; (2.4)

СН₄ + 0,5О₂ = CO + 2Н₂, ДЯ₂₉₈ = -35 710 кДж; (2.5)

СН₄ + 0₂ = С0₂ + 2Н₂, АЯ₂₉₈ = -328 700 кДж. (2.6)

Термодинамічно можлива також термічна дисоціація метану за та­кою реакцією^-.

СН₄ = 2Н₂ + С, АЯ₂₉₈ = 75 000 кДж. (2.7)

Теоретично розкладання метану закінчується за температури 1000 °С, а насправді — за температури 1300 °С. Внаслідок низького виходу конвертованого газу, високого вмісту в ньому сажового вуглецю і склад­ністю конструкції апаратів конверсії застосування цього процесу обме­жене.

Конверсія метану за реакціями (2.3) і (2.4) відбувається з великою витратою теплоти, оскільки вони ендотермічні. Щоб запобігти виділенню сажі, процес проводять з надлишком окисника за наявності каталізатора, завдяки чому знижуються енергетичні бар'єри стійкого розвитку про­цесів конверсії. Із підвищенням температури рівновага зміщується у бік прямих реакцій, що супроводжується збільшенням концентрації CO і Н₂ та зменшенням вмісту окисників і метану в конвертованому газі.

Конверсія метану технічним киснем за реакцією (2.5) супроводжу­ється виділенням теплоти, що зумовлює ведення процесу зі зменшеною відносно теоретичною кількістю окисника.

МЕТАЛІЗОВАНІ ЗАЛІЗОРУДНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ ЧАВУНУ

Одне з перших промислових досліджень з використання металізова­них окатків у доменній печі місткістю 587 м проведено на заводі «Хілтон» (Гамільтон, Канада) в 1964 — 1965 pp. При цьому було про­плавлено 10 400 т окатків та встановлено, що на кожні 10 % металізації шихти в межах до 35 % продуктивність печі збільшувалася на 9 %_fz. витрата коксу зменшувалася на 8,2 %.

Дослідні плавки, проведені в колишньому СРСР, США, Канаді та Японії, довели, що на кожні 10 % металізації шихти 0...50 % приріст продуктивності становить 4 — 7 %, а зменшення ви­трати коксу — 5 —7 %. Оптимальна кількість металізованої шихти ста­новила 30-40 %.

Металізація залізорудних матеріалів супроводжується істотним підвищенням холодної (під час перевантаження, транспортування та зберігання) і гарячої (під час відновно-теплового оброблення) міцності доменної шихти, що сприяє зменшен­ню дрібняку і підвищенню продук­тивності печі.

Металізувати можна як куско­вий, так і дрібний вихідний матеріал (руду, агломерат, окатки), у відповід­ному агрегаті оптимальним певно­му процесу відновником, причому ме­талізацію можна суміщувати з про­цесом випалювання сирих окатків або зі спіканням способом агломе­рації.

У процесі збагачення руд досягається вилучення зі складу руди небажаних шлакоутворювальних оксидів та шкідливих домішок, що супроводжується зменшенням питомої витрати коксу і ростом продуктив­ності печі. При цьому планують щоб процес дисоціації карбонатів відбу­вався не в доменній печі, а в агломераційній машині, що сприяє змен­шенню витрати палива на процес плавки чавуну. Внаслідок металізації рудної сировини частково вдається зменшити надходження у доменну піч кисню, завдяки зв'язуванню його із залізом у вигляді оксидів. Пер­спективним напрямом у цьому відношенні є отримання концентратно-вугільних окатків з наступним їх випалюванням, оскільки оксид карбо­ну (II), який утворюється всередині окатка, відновлює оксиди феруму. Розглянемо процес металізації під час випалювання рудно-флюсо-паливних окатків на машині конвеєрного типу (рис. 2.1). Машина для випалювання окатків має дві зони: сушіння 10 і випалювання //. Суміш руди (концентрату), кам'яного вугілля (20 %) і вапняку (20 %) надхо­дить у кульовий млин 5, де розмелюється. Потім помел прямує у шне­ковий змішувач 7, куди також надходить оборотний продукт із бунке­ра /. В дисковому грануляторі 8 суміш гранулюється. Сирі окатки за­вантажують на ґрати конвеєрної машини випалювання в зону сушіння 10. Крізь шар окатків просмоктується відхідний газ із зони випалю­вання 11. У цій зоні окатки нагріваються продуктами горіння газового палива до температури 850—1250 °С і спікаються. Одночасно в шарі окатків відбуваються процеси дисоціації карбонату кальцію та частко­ве відновлення оксидів феруму. Сірка, яка міститься в кам'яному вугіллі, взаємодіє з вапном:

СаО + SO2 = CaSO3. (2.10)

Частина Сульфуру у вигляді S0₂ видаляється з відхідним газом (до 40 %). Металізовані окатки без охолодження надходять на сито 12, де відсіюється дрібняк — оборотний продукт. Крупні окатки заванта­жують у рудотермічну електричну піч, де виплавляється чавун або напів­продукт. Недоліком процесу є перехід у чавун значної кількості сірки.

ВИРОБНИЦТВО ГУБЧАСТОГО ЗАЛІЗА

Використання металізованих залізорудних матеріалів для вироб­ництва губчастого заліза значно розширилося в останню чверть XX ст., що зумовлюється рядом факторів:

зменшення світових запасів коксівного кам'яного вугілля. В окре­мих регіонах його майже немає, в інших — запаси значно вироблені. Повністю виключити кокс із доменної шихти неможливо. Тому стає реальною потребою застосування двостадійної схеми отримання сталі «металізовані залізорудні матеріали — сталь», яка реалізується поза доменною піччю:

необхідність значного підвищення вимог до якості сталі. Наявність у сталі шкідливих домішок (фосфору, сірки, розчинених газів, немета­левих включень та небажаних кольорових металів), виплавлених із доменного чавуну, металевого брухту та скрапу, зумовлює такі вади, як червона і холодна ламкість, незадовільні зварюваність, пластичність і здатність до штампування тощо. Сталь, виплавлена із губчастого заліза, майже повністю позбавлена небажаних домішок, оскільки вихідний матеріал не зазнає переплавляння, має підвищений вміст заліза в кон­центратах і невеликий вміст шлакоутворювальних оксидів;

вилучення зі структури металургійного підприємства коксової бата­реї та частково агломераційної фабрики;

нова схема значно розширює можливості створення міні-заводів. Крім того, губчасте залізо для виплавляння сталі виробляють у різного типу агрегатах (див. схему 1, с. 76).

Виробництво губчастого заліза з використанням газоподібного відновника для виплавляння сталі

Основна частина губчастого заліза для виплавляння сталі виробляєть­ся в шахтних печах з використанням газоподібних відновників. Однією з основних вимог до вихідного залізорудного матеріалу є малий вміст пустої породи—не більше З % за вмісту заліза 69 — 71 %і шкідливий домішок (Р, S, As) не більше 0,02 % кожного. Оптимальний ступінь металізації губчастого заліза для

виплавляння сталі становить 85-95 %.

Шахтні процеси виробництва губчастого заліза. Фізико-хімічна суть процесів у шахтній печі багато в чому збігається з процесами в шахті доменної печі за температури близько 1000 °С за відсутності рідких фаз — чавуну й шлаку. Відмінність полягає в тому, що в шахтній печі вюстит відновлюється лише газоподібними відновниками, тоді як у доменній печі значна частина його відновлюється вуглецем за реак­цією (1.16).

У шахтних процесах відновлення оксидів феруму воднем і оксидом карбону (II) відбувається за температури, нижчої ніж 800 °С, у твердій фазі без утворення рідкого розплаву, тому відокремлення пустої поро­ди від металічного заліза не спостерігається. При цьому отримують пористий продукт, до складу якого входять включення оксидів пустої породи. Для того щоб зменшити їхню кількість, використовують окат-ки з високим вмістом заліза (до 70 %) і мінімальною кількістю пустої породи та шкідливих домішок.