СПОСОБ ПОДОГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СКРАПА
METAL SCRAP HEATING METHOD

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретно к подготовке металлического скрапа для производства стали в электрической дуговой печи.
Из уровня развития техники известен способ (Калмыков ВА., Карасев В.П. Электрометаллургия стали: Учебн. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 292 с.) низкотемпературного подогрева металлического скрапа отходящими газами электродуговой печи. Горячие отходящие газы электродуговой печи просасываются через корзину с металлическим скрапом. Охлажденные газы из корзины смешиваются с газами из печи, смесь этих газов поступает в дымосос и подается в систему газоочистки.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- большие потери энергии отходящих газов между печью и корзиной для металлического скрапа;
- наполнение газоходов пылью;
- недостаток времени предварительного нагрева на высокопроизводительных печах;
- значительное время отключения электроэнергии от печи при загрузке металлического скрапа;
- загрузка металлического скрапа должна осуществляться точно в соответствии с циклом нагрева;
- связь с оборудованием перед печью снижает гибкость технологического процесса;
- наконец, если в металлическом скрапе имеется даже небольшое количество пластика, то при температурах выше 200°C, при которых осуществляется подогрев металлического скрапа в данном способе, он начинает гореть с выделением фенолов и диоксинов. А выбросы фенолов и диоксинов не удаляются обычными системами газоочистки сталеплавильных печей.
Из уровня развития техники известен способ использования тепла отходящих печных газов для нагрева и сушки металлического скрапа, который предусматривает использование шахтного подогревателя (Металлургические мини-заводы: Монография / М 54 Смирнов А.Н., Сафонов В.М., Дорохова Л.В., Цупрун А.Ю. - Донецк: Норд-Пресс, 2005. - 469с. (Таблиц 53, рисунков 73). http://do.rulitru.ru/v20520/?download=1, патент США 5117438, патент США US 5645791, патент РФ 2205234). Шахтные дуговые сталеплавильные печи (например, конструкции «Fuchs Systemtechnik») были разработаны на базе обычной дуговой печи, объем которой увеличен с помощью так называемой шахты, устанавливаемой над сводом печи. Шахта, через которую загружают в печь до 60% шихты, может отводиться в сторону для обычной завалки бадьей. Поперечное сечение шахты ограничено, поэтому крупногабаритный металлический скрап, не предназначенный для подогрева, загружается первой бадьей в ванну печи. Последующими бадьями среднегабаритный металлический скрап и продукцию шредерной установки загружают через шахту. Металлический скрап подогревается в шахте печи за счет тепла отходящих газов и с помощью газокислородных горелок, расположенных в нижней части шахты. После загрузки первой корзины в шахту начинается процесс плавления шихты и подогрев металлического скрапа в шахте отходящими газами и горелками.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- невозможность подогрева и сушки крупногабаритного металлического скрапа;
- верхние слои металлического скрапа в шахте в зимний период не нагреваются выше 0°C. При этом, механика движения металлического скрапа в шахте такова, что при разгрузке шахты первыми в ванну попадают как раз верхние слои. Это время от времени приводит к паровым взрывам в зимний период;
- в объеме шахтного подогревателя шахтной ДСП существуют зоны, в которых складываются оптимальные условия для образования диоксинов. Поскольку газы движутся снизу вверх, после образования диоксины не разлагаются и уходят в систему газоочистки и далее в атмосферу (Райле В.Т. Совершенствование тепловой работы и конструкции шахтного подогревателя дуговой сталеплавильной печи. Специальность 05.16.02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Челябинск, 2010 г., http://susu.ac.ru/upload/298/fc/common/28/341/Райле avtoreferat.pdf).
Известен способ подогрева металлического скрапа Consteel (Система Consteel завоевывает признание. «Металлы Евразии», №5, 2011 г., http://metall-news.blogspot.ru/2012/08/consteel.html), представляющий собой процесс, при котором осуществляется непрерывная подача и предварительный нагрев металлической шихты (тяжелого и легкого металлического скрапа, чугуна, горячебрикетированного железа и т.д.) в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с одновременным контролем за газообразными выбросами. Металлический скрап загружается кранами в горизонтальные конвейеры периодического действия. Перед тем как попасть в сталеплавильную печь, металлический скрап поступает в секцию предварительного нагрева - туннельную печь - и в этой зоне нагревается горячими газами ДСП, которые движутся в противоположном направлении. Во время операции непрерывной подачи металлического скрапа ванна жидкой стали в ДСП поддерживается покрытой вспененным шлаком и с заданной постоянной температурой или удельным энергопотреблением. Металлический скрап попадает в ″болото″, размеры которого будут всегда достаточны для того, чтобы он погружался в него. Металлический скрап в печи не подвергается излучению от электрической дуги, но окружен жидкой сталью, поэтому основное количество тепла для расплавления металлического скрапа поступает путем конвекции и теплопроводности (а не посредством дуговой радиации), что является гораздо менее эффективным способом передачи энергии металлическому скрапу в процессе плавления. Электрическая дуга находится под вспененным шлаком. Энергия передается более эффективно в ванну жидкого металла и шлака, уменьшая степень излучения, оказываемого на панели и футеровку. Поскольку в течение всего времени включения электроэнергии дуга покрыта вспененным шлаком, она более стабильна, чем когда подвержена атмосферному влиянию, и работает с более высоким коэффициентом мощности, увеличивая активную мощность по отношению к реактивной.
Недостатком этого способа является то, что в процессе работы конвейера имеет место малая эффективность нагрева металлического скрапа отходящими газами от печи: газы высокой температуры идут по верху конвейера, по низу же, где подается шихта, газы идут с более низкой температурой. В зимнее время этой температуры не хватает, чтобы испарить влагу, находящуюся в металлошихте, что время от времени приводит к паровым взрывам.
Известен способ подогрева металлического скрапа (Ю.Н. Тулуевский, И.Ю. Зинуров, В.Г. Швер. Новые возможности печей Consteel. Электрометаллургия, №6, 2011 г., с.22-27.), являющийся модификацией конвейерной противоточной системы подогрева металлического скрапа печными газами (способа Consteel) путем инвертирования потока печных газов в объеме конвейера и оснащения конвейера дополнительными газовоздушными или газокислородными горелками. Этот метод направлен в первую очередь на повышение производительности, т.к. в процессе Consteel производительность ограничена теплопередачей к твердой шихте со стороны жидкой ванны. Горелки создают динамичные факела, за счет своего скоростного напора пронизывающие толщу металлического скрапа на конвейере и эффективно подогревающие его. Повышается температура металлического скрапа, снижается потребное количество тепла, которое необходимо передать металлическому скрапу для его расплавления в печи, и за счет этого расшивается узкое место в процессе теплопередачи. Для удаления печных газов в своде организуется четвертое отверстие и газы удаляются как в обычной ДСП, через накатную муфту и охлаждаемый газоход. Теплофизически такой «прямоточный» агрегат (терминология источника, обозначающий отличие от «противоточного» теплообмена между металлическим скрапом и печными газами на конвейере Consteel) эквивалентен обычной ДСП, оснащенной газокислородными горелками. Преимущество прямоточного процесса - непрерывность, обеспечиваемая за счет конвейерной завалки. По оценкам источника, такая модификация позволяет приблизить производительность и экономичность печей Consteel к рекордным параметрам для ДСП или даже превысить их.
Недостатком этого способа является недостаточная очистка отходящих газов от диоксинов, так как металлический скрап, попадая в печь, так или иначе нагревается до высоких температур, проходя все промежуточные температуры. Если в металлическом скрапе содержатся пластик, резина и масло, то диоксины все равно образуются и удаляются из печи вместе с отходящими газами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ предварительного нагрева металлического скрапа (FERROUS SCRAP PREHEATING SYSTEM. PHASE III=FINAL REPORT. Work Performed Under Contract No. DE-AC02-89CE40874. Prepared For: U.S. Department of Energy Washington, D.C. Prepared By: Surface Combustion, Inc. Maumee, Ohio 43537, Surface Contract Number RX-6127.http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/373823-EEAqsm/webviewable/373823.pdf). Способ предусматривает рециркуляцию газов, отходящих из камеры подогрева скрапа, которые поступают в дымовой реактор, где сжигаются с некоторым количеством природного газа, причем продукты сгорания под действием рециркуляционного дымососа поступают обратно в камеру нагрева с той же стороны камеры, с которой и забирались, т.е. сверху. Избыток образовывающихся в дымовом реакторе газов под действием вентилятора поступает в дымовую трубу и выбрасывается в атмосферу.
Недостатком данного способа является то, что на дожигание органических соединений, выделяющихся из скрапа, требуется очень большое количество энергии, что делает способ неэкономичным. Причем это не приводит к исключению диоксинов из состава отходящих газов, так как даже если они разложились при высоких температурах в дымовом реакторе, то при последующем охлаждении газов по пути в атмосферу происходит ресинтез диоксинов. Кроме того, подача и забор рециркуляционных газов с одной стороны камеры подогрева, сверху, не исключает возникновение паровых взрывов при загрузке обледенелого скрапа, что недопустимо в металлургическом производстве.
Основной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание безопасного, экономичного, надежного способа подогрева металлического скрапа с пониженным потреблением природного газа, позволяющего осуществить полное обезвреживание органических соединений, в том числе и диоксинов, образующихся при подогреве металлического скрапа с органическими включениями, исключающего вредное воздействие этих соединений на окружающую среду.
Поставленная цель достигается тем, что в способе подогрева металлического скрапа, предусматривающем использование контура рециркуляции газов, забираемых из верхней части камеры подогрева скрапа с помощью дымососа рециркуляции, причем часть газов рециркуляции с помощью дымососа отходящих газов выводится к дымовой трубе и далее в атмосферу, предусмотрено: приготовление теплоносителя, вводимого вместе с газами рециркуляции в нижнюю часть камеры подогрева скрапа, и получаемого сжиганием природного газа с окислителем, причем окислитель получается смешением части газов рециркуляции с кислородом; отбор газов, предназначенных на выброс, с выхода теплогенератора, где они имеют высокую температуру, достаточную для разложения диоксинов, и их последующую выдержку при этой температуре в течение 2 с; «закалку» выдержанных отходящих газов впрыскиваемой водой, за счет чего предотвращается ресинтез диоксинов; окончательное охлаждение «закаленных» отходящих газов путем передачи тепла кислороду, подающемуся на смешение с частью газов рециркуляции при приготовлении окислителя.
На фиг.1 представлен пример установки, реализующей данный способ подогрева металлического скрапа. Стрелками проиллюстрировано направление движения газов. На фиг.1 приведены также значения избыточного давления в узловых точках.
Установка, реализующая способ, содержит камеру подогрева скрапа 1, первый дымосос 2, первый и второй трубопроводы 3 и 4 соответственно, второй дымосос 5, третий и четвертый трубопроводы 6 и 7 соответственно, теплогенератор 8, пятый трубопровод 9, шестой трубопровод 10, седьмой трубопровод 11, камеру выдержки 12, восьмой трубопровод 13, узел впрыска воды на закалку 14, девятый трубопровод 15, теплообменник 16, десятый трубопровод 17. Первый трубопровод 3 соединяет крышку камеры подогрева скрапа 1 со входом первого дымососа 2, второй трубопровод 4 соединяет выход первого дымососа 2 с пятым трубопроводом 9, соединяющим выход теплогенератора 8 с местом впуска теплоносителя в камеру подогрева скрапа 1. Второй трубопровод 4 с помощью шестого трубопровода 10 подсоединен ко второму входу теплогенератора 8, к тому же входу с помощью десятого трубопровода 17 подсоединен выход кислородного тракта теплообменника 16, вход которого с помощью девятого трубопровода 15 присоединен к системе подачи кислорода, при этом в первый вход теплогенератора 8 подается природный газ. Седьмой трубопровод 11 соединяет зону пятого трубопровода 9, расположенную между выходом теплогенератора 8 и местом подсоединения второго трубопровода 4, с входом камеры выдержки 12, выход которой соединяется восьмым трубопроводом 13 со входом тракта отходящих газов теплообменника 16, выход которого с помощью третьего трубопровода 6 соединен со входом второго дымососа 5, выход которого с помощью четвертого трубопровода 7 присоединен с дымовой трубе (на фиг.1 не показана). К восьмому трубопроводу 13 присоединен узел впрыска воды 14.
Установка работает следующим образом. Под действием первого дымососа 2 дымовые газы по первому и второму трубопроводам 3 и 4 соответственно, смешанные с теплоносителем из теплогенератора, поступающим по пятому трубопроводу 9, подаются к месту впуска теплоносителя в камеру подогрева скрапа 1 и просасываются снизу вверх сквозь металлический скрап, загруженный в камеру подогрева скрапа 1, образуя контур рециркуляции дымовых газов. Часть газов рециркуляции из второго трубопровода 4 по шестому трубопроводу 10 подается на второй вход теплогенератора 10, куда также по десятому трубопроводу 17 подается подогретый кислород из кислородного тракта теплообменника 16, причем на вход кислородного тракта теплообменника 16 кислород подается по девятому трубопроводу 15. Природный газ, подаваемый на первый вход теплогенератора 8, сгорает в нем с кислородом, забалластированным газами рециркуляции, образуя теплоноситель с температурой 1200°C, поступающий с выхода теплогенератора в пятый трубопровод 9. Перед местом впуска теплоносителя в камеру подогрева скрапа 1 теплоноситель с температурой 1200°C смешивается с газами рециркуляции, поступающими в пятый трубопровод 9 по второму трубопроводу 4, в результате чего температура теплоносителя понижается до 400°C. Из зоны пятого трубопровода 9, расположенной между выходом теплогенератора 8 и местом присоединения второго трубопровода 4, теплоноситель с температурой 1200°C по седьмому трубопроводу 11 поступает в камеру выдержки 12, где находится в течение 2 с, после чего с выхода камеры выдержки 12 поступает в восьмой трубопровод 13. В результате выдерживания отходящих газов с камере выдержки 12 при температуре 1200°C в течение 2 с диоксины, содержащиеся в отходящих газах, полностью распадаются. В этот же восьмой трубопровод 13 через узел впрыска 14 подается вода, которая приводит к быстрому охлаждению отходящих газов до температуры не выше 300°C, т.е. к их «закалке», что полностью исключает ресинтез диоксинов. Охлажденные до температуры 300°C отходящие газы поступают на вход тракта отходящих газов теплообменника 16, где отдают часть тепла кислороду, движущемуся по кислородному тракту, образуя контур рекуперации. Охлажденные до температуры 150°C отходящие газы с выхода тракта отходящих газов теплообменника 16 через третий и четвертый трубопроводы 6 и 7 под воздействием второго дымососа 5 подаются к дымовой трубе и выводятся в атмосферу.
Способ отличается новизной, что следует из сравнения с прототипом, изобретательским уровнем, так как не следует явно из существующего уровня техники, практически легко осуществим, так как в нем используется нерасторжимая совокупность известных и часто употребляемых в черной металлургии способов и их технических реализаций.
Сущность способа поясняется следующим.
Сушка и нагрев металлического скрапа с помощью дополнительного теплоносителя перед его загрузкой в печь дает значительную экономию электроэнергии в печи и сокращает время плавки, а также исключает возможность паровых взрывов.
Сушка и подогрев металлического скрапа производится в модифицированных завалочных корзинах за счет теплопередачи от продуктов сгорания природного газа.
3
При температуре подогрева не более 200°С отработанный теплоноситель - продукты сгорания топлива, насыщенные влагой от сушки металлического скрапа, не содержат вредных примесей и сбрасываются в атмосферу или в печной газоход. При этом энергия, вложенная в металлический скрап, составляет ~26 кВт×час на тонну шихты, или ~23 кВт×час на тонну жидкой стали (коэффициент годного ~0,87). Получается, что при затратах электроэнергии ~300 кВт×час на тонну и КПД дугового нагрева ~80% экономия электроэнергии за счет такого нагрева металлического скрапа составляет до ~10%. Таково же примерно и сокращение длительности периода плавления. Если в обычных современных ДСП с энерговооруженностью ~0,8 МВА/т период выпуска (tap-to-tap time) составляет около 40 мин, а длительность периода плавления ~15 мин, то сокращение цикла плавки может составить до ~10%×15=1,5 мин, или 1,5/40=3,7% - на эту величину возрастает производительность печи. Теплопередача от теплоносителя к металлошихте при газовом нагреве металлического скрапа в корзинах происходит максимально эффективно, т.к. горячие газы прокачиваются через металлический скрап снизу вверх. Пусть КПД этого нагрева ~50%. Тогда для нагрева металлического скрапа до 200°C необходимо ~5,4 нм природного газа на тонну шихты. При текущих ценах на природный газ в России это эквивалентно стоимости ~4 кВт×час электроэнергии, при этом экономия электроэнергии достигает 26 кВт×час. Таким образом, при подогреве металлического скрапа до 200°C и коэффициенте годного 0.87 затраты электроэнергии на тонну жидкой стали сокращаются на ~26/0.87≈30 кВт×час (10%), общие затраты энергоносителей (с учетом дополнительных затрат на природный газ) сокращаются на экв. 30-4=26 кВт×час на тонну жидкой стали, длительность плавки сокращается на ~1,5 мин.
Температура подогрева может быть увеличена до 400°C. Тогда все технико-экономические параметры сталеплавильного процесса улучшаются вдвое. Температура подогрева металлического скрапа ограничена только стойкостью конструкции модифицированной завалочной корзины. По опыту эксплуатации газовых установок подогрева металлического скрапа в корзинах, для корзин из стали 09Г2С температура теплоносителя 400-450°C не вызывает никаких проблем. Однако при наличии в дешевом товарном металлическом скрапе пластика, резины, масел и других органических включений нагрев в окислительной атмосфере может сопровождаться образованием диоксинов, фуранов, фенолов, бензапиренов и других вредных органических веществ. В этом случае прямой выброс отработанного теплоносителя в пространство цеха, в атмосферу или в печной газоход недопустимы.
Существует мнение, что при высоких температурах в ДСП все эти вредные вещества полностью догорают. Однако максимум выбросов происходит при сравнительно невысоких температурах шихты - 300…600°C. Тогда и печные газы имеют низкую температуру, и эффективное дожигание газов в печном газоходе невозможно.
Известно, что для разложения диоксинов необходимо создать температуру не менее 1200°C, время пребывания не менее 2 с и содержание кислорода не менее 6% (Директива №2000/76/ЕС Европейского Парламента и Совета от 4 декабря 2000 г. о сжигании отходов). После разложения газы необходимо «закалить» - быстро охладить до температуры не выше ~300°C, когда становится невозможным повторный синтез диоксинов.
Таких условий в период разогрева металлического скрапа нет ни в объеме печи, ни в дожигающем устройстве, ни в печном газоходе. Это означает, что реально на обычных дуговых печах после завалки свежей порции металлошихты диоксины, фураны и бензапирены попадают в систему газоочистки, проходят через рукавные фильтры и выбрасываются в атмосферу.
Даже при подвалке в объеме печи существуют зоны с невысокими температурами, недостаточными для разложения диоксинов.
3
3
Прямые решения, связанные с контролируемым догревом печных газов до 1200°C за счет сжигания дополнительного количества природного газа непосредственно в объеме печного газохода с последующей закалкой путем впрыска воды, не приводят к желательному результатам. Такие решения достаточно затратны, как по эксплуатационным затратам, так и по стоимости реконструкции. Пусть, например, на 100-тонной ДСП объем газов после дожигателя 100 тыс. нм/час, а их температура 800°C. Тогда для догрева до 1200°C требуется ~1500 нм/час природного газа. Кроме того, для «закалки» необходимо подвести и испарить ~50 т/час воды. Затратность таких решений вызвана тем, что тепло, подводимое для разложения диоксинов, в дальнейшем никак не используется, наоборот - с ним приходится бороться, подводя и испаряя большое количество воды для «закалки». Еще одна причина высоких затрат - это то, что для обезвреживания диоксинов приходится обрабатывать весь объем отходящих газов ДСП.
Предлагаемый способ позволяет экологически безопасно произвести прокалку металлошихты, полностью удалив органику, непосредственно в процессе предварительного подогрева в модифицированных завалочных корзинах. Тогда переработка металлического скрапа в дуговой печи становится экологически безопасной, при этом не требуется никакой реконструкции существующих систем газоочистки дуговых печей.
3
3
По опыту эксплуатации установок подогрева металлического скрапа, для его подогрева в корзине емкостью 60 т требуется газовый нагрев с пиковой мощностью 5 МВт и время ~20 минут. Когда в качестве окислителя применяется кислород, максимальный расход отработанных газов для обезвреживания составляет 1500 нм/час (а не 100 тыс.нм/час, как при обработке всего объема печных газов). Эти газы уже в процессе приготовления теплоносителя нагреваются до 1200°C, и дополнительного топлива для их нагрева не требуется. Для «закалки» необходимо испарить максимум 0,7 т/час воды.
3
3
Для обслуживания печи емкостью 100 т, работающей с двумя завалками, требуется 2 непрерывно работающих установки сушки и подогрева металлошихты в корзинах (http://ст.рф/catalog/detail.php?SECTION_ID=60&ELEMENT_ID=172). Тогда пиковое потребление газа составляет 2×500=1000 нм/час, кислорода - 2000 нм/час, воды - 2×0,7=1,4 т/час. Соответствующие средние параметры примерно вдвое меньше.
Достигаемым техническим результатом является полное исключение диоксинов в отходящих газах, уменьшение расхода природного газа за счет рекуперации тепла отходящих газов окислителю, уменьшение расхода воды на «закалку» отходящих газов в связи с уменьшением расхода этих газов из-за их рециркуляции, а также исключение паровых взрывов в связи с движением теплоносителя снизу вверх в камере подогрева металлического скрапа и обеспечением преимущественного прогрева нижних частей объема скрапа, в первую очередь взаимодействующих с высокотемпературной ванной стального расплава.