1.2.5 Реформер
Корпус реформера представляет собой газоплотную сварную, стальную конструкцию длиной 41, шириной 11 и высотой 9 м, разделенную на 12 секций. Поскольку рабочая температура составляет 1100 ˚С, стальная конструкция защищена огнеупорной футеровкой. В реформере имеется 288 реакционных труб, размещенных вертикально в четыре ряда по 72 трубы в каждом ряду так, что в одной секции располагаются 24 трубы, обогреваемые на длине 8 м. Отверстия для прохода через днище и свод корпуса реформера уплотнены.
Трубы реформера заполнены катализатором. Газ проходит через них снизу вверх. Смешанный газ, подогретый до 400 ˚С, входит в трубы снизу, конвертированный газ выходит из верхних концов труб с температурой 900˚С и поступает в футерованные коллекторные трубопроводы.
Реформер отапливается с помощью установленных с днища в пять рядов 120 главных горелок и 36 вспомогательных. Главные горелки работают на топливном газе - смеси колошникового газа с природным, и на воздухе, подогретом до 600 ˚С. Во вспомогательных горелках сжигается природный газ холодным воздухом.
Катализатор, загружаемый в трубы реформера, состоит из материалоносителя (например, глинозема высокой чистоты) и активного компонента. В большинстве случаев в качестве катализатора для реакции конверсии применяется никель в различных концентрациях.
1.2.6 Рекуператор
В каждом модуле прямого восстановления имеются два рекуператора. По направлению потока дымовых газов в них расположены следующие конструктивные узлы: радиационный трубчатый рекуператор для подогрева воздуха (прямотоком дымового газа и воздуха), камера поворота дымового газа, двухходовой конвективный рекуператор для подогрева воздуха (перекрестно-противоточная схема), двухходовой конвективный рекуператор для подогрева смешанного газа (перекрестно-противоточная схема), двухгодовой конвективный рекуператор для подогрева природного газа (перекрестно-противоточная схема).
Эти узлы размещены в несущей стальной конструкции, покрытой герметичным стальным кожухом и опирающейся на бетонные фундаменты и опоры.
1.2.7 Свеча
Для модулей прямого восстановления 1 и 2 и для модулей 3 и 4 предусмотрено по одной свете. На свечу сбрасывают для дожигания газы в основном из предохранительных клапанов, скрубберов колошникового и охлаждающего газов, концевого холодильника технологического газа, холодильника конвертированного газа, фильтра природного газа (у модулей), а также с некоторых станций регулирования давления природного газа. Состав этих газов в соответствии с их происхождением различен. Для проектирования свечи были приняты за основу характеристики топливного газа.
1.3 МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ
1.3.1 Краткое описание процесса "Мидрекс"
При восстановительном процессе "Мидрекс" (см. Приложение 5) оксид железа в форме окатышей или кусковой руды превращается в высокометаллизованный продукт, пригодный для производства электростали, например в дуговой печи [1,15,17]. Восстановительный процесс проводится в шахтной печи (см. Приложение 4), в которой горячий восстановительный газ реагирует в противотоке с рудой, опускающейся под действием силы тяжести. Процесс протекает при температуре ниже точки размягчения шихтовых материалов. В качестве восстановительного газа используются водород и монооксид углерода (СО), которые образуются из природного газа в газовом конверторе (реформере).
Здесь развиваются ,в основном, следующие химические реакции:
1) восстановление
Fe2O3 + 3H2® 2Fe + 3H2O;
Fe2O3 + 3CO ® 2Fe + 3CO2;
2) образование карбида железа
3Fe + 2CO ®Fe3C + CO2 ;
3) конверсия
CH4 + H2O ®CO + 3H2 ;
CH4 + CO2® 2CO + 2H2 ;
Горячий колошниковый газ, выходящий из верхней части шахты восстановительной печи, охлаждается и очищается в соответствующем скруббере и разделяется на два потока: технологический газ и топливный газ.
Технологический газ сжимается в компрессорах, смешивается с природным газом, очищенным от серы, подогревается в рекуператорах и конвертируется в реформере в присутствии никелевого катализатора, превращаясь в конвертированный газ. Конверсия представляет собой, в основном, расщепление природного газа при воздействии кислородсодержащих газов СО2 и Н2О на продукты распада Н2 и СО. При этом объем газа увеличивается на 30%. Избыточный газ, образовавшийся в результате увеличения объема - топливный колошниковый газ - смешивается с природным газом и сжигается в главных горелках реформера. Тепло от сжигания топливного газа покрывает значительную часть теплопотребления реформера. Недостающую часть тепла получают от сжигания некоторого количества природного газа.
Горячий металлизованный продукт, опускающийся из зоны восстановления, охлаждается в нижерасположенной зоне охлаждающим газом. Нагревшийся охлаждающий газ затем охлаждается и очищается в скруббере, сжимается в соответствующем компрессоре и снова подается в зону охлаждения. Металлизованный продукт выгружается при помощи маятникового питателя.
При альтернативном режиме работы (AFS) колошниковый газ после скруббера и последующего компримирования подается в зону охлаждения, где он охлаждает горячее губчатое железо. При прохождении через насыпной слой газ отдает содержащиеся в нем соединения серы охлажденному губчатому железу.
Все этапы описываемого процесса проходят под небольшим избыточным давлением. Сырье поступает в восстановительную печь через шлюз с динамическим газовым затвором, а готовый продукт выгружается из печи через другой аналогичный шлюз. Проникновение воздуха предотвращается тем, что в шлюзы с газовым затвором вдувается инертный газ под давлением, несколько превышающим давление в точках соединения шлюзов с печью, при этом не применяют никаких движущихся деталей.
Чтобы описать функционирование процесса, целесообразно разделить его энергоснабжение на пять оборотных циклов и систем. Имеются в виду следующие циклы и системы:
а) Цикл восстановительного газа: печь металлизации, скруббер колошникового газа, компрессоры и холодильник технологического газа, реформер, рекуператор и холодильник конвертированного газа после реформера.
б) Цикл охлаждающего газа: нижняя часть печи металлизации (зона охлаждения), скруббер и компрессор охлаждающего газа и каплеотделитель.
в) Система инертного газа: подача инертного газа в уплотнения при нормальной работе, подача продувочного газа и аварийная система подачи инертного газа.
г) Система водоснабжения: сгуститель, градирни, насосы и прочие вспомогательные устройства.
д) Система аспирации: отсасывающие зонты, трубопроводы запыленного воздуха и радиальный скруббер (промыватель).
Разумеется, во всех системах имеются трубопроводы, измерительные устройства и регуляторы, многочисленная арматура и вспомогательные устройства.
1.3.2 Цикл восстановительного газа
В печи металлизации протекают собственно процессы восстановления. Твердые материалы поступают сверху в реактор, работающий под давлением, и покидают его снизу, выходя из пространства с избыточным давлением в окружающую среду. Твердые материалы (окисленные окатыши) опускаются в печи под действием силы тяжести по мере того, как на нижнем конце печи они выгружаются (уже в виде металлизованного продукта) в заданном режиме при помощи специального устройства для выгрузки - так называемого маятникового питателя. Одновременно горячий восстановительный газ, вдуваемый через сопла примерно на середине высоты шахтной печи при температуре ~ 760 °С и абсолютном давлении ~ 0,2 МПа, движется навстречу потоку окатышей вверх, где и выходит из печи уже как колошниковый газ при температуре ~ 400°С и абсолютном давлении ~ 0,13 МПа. Для предотвращения выхода из печи горючих газов, находящихся под избыточным давлением, устройства для загрузки окисленных окатышей и выгрузки металлизованного продукта уплотнены при помощи так называемых газовых динамических затворов. В эти затворы вдувается инертный (затворный) газ под таким давлением, которое обеспечивает движение этого газа в труботечках загрузки и выгрузки только внутри печи, т.е. только вниз - на колошнике, где загружаются окисленные окатыши, и только вверх - на разгрузке, где выгружаются металлизованные окатыши. Затворный газ представляет собой отходящие из реформера обезвоженные продукты сгорания, содержание кислорода в которых поддерживается на уровне 0,5-1 %.
Время пребывания окатышей в зоне восстановления при проектной производительности модуля устанавливается таким, чтобы достигалась средняя степень металлизации в пределах 90-94 %.
Развитие различных реакций процесса металлизации - восстановления гематита до магнетита и далее до вюстита железа, и образования карбида железа, в принципе зависит от температуры восстановительного газа, его химического состава и времени пребывания газа и твердых материалов в восстановительной печи. Химический состав окисленных окатышей существенно влияет на кинетику восстановительных процессов.
Для управления восстановительным процессом используются в основном следующие взаимозависимости:
1. Повышение содержания СО2 в восстановительном газе снижает его восстановительную способность.
2. Повышение содержания СН4 в восстановительном газе охлаждает слой окатышей и повышает восстановительную способность газа при достаточно высокой температуре.
3. Увеличение отношения Н2/СО в восстановительном газе охлаждает слой окатышей.
Внизу зоны восстановления наряду с восстановлением происходит и науглероживание металлизованного продукта, в котором углерод появляется преимущественно в форме карбида железа. На содержание углерода можно повлиять следующими практическими мероприятиями:
- изменением содержания метана в восстановительном газе путем добавки природного газа к охлажденной части конвертированного газа;