Technologieën voor verbetering van het sinterproces

Retour prima - mozaïek inbedding van ijzererts sinterproces

Om de doorlaatbaarheid van het sinterbed voor de productiviteit van sintererts te vergroten, is het proces ‘return fine – mozaïek inbedding van ijzererts sinteren’ (RF-MEBIOS) ontwikkeld. RF-MEBIOS-proces, wat een techniek is voor het terugsturen van fijne bypass-granulatie. In dit proces wordt fijn teruggevoerd, aangezien droge deeltjes worden toegevoegd aan gegranuleerde grondstoffen en vervolgens in de sintermachine worden geladen, wat resulteert in een productiviteitsverhoging van de sintermachine.

De productiviteitsverhoging wordt veroorzaakt door het vergroten van de pseudo-deeltjesgrootte bij granulatie en door het verminderen van de bulkdichtheid van het gepakte sinterbed na het laden. De eerste wordt bereikt door een hoger vochtgehalte in de grondstoffen bij granulatie. Dit laatste wordt bereikt door hogere wrijving in het sinterbed dat bestaat uit een droge en natte deeltjesverbinding, die een rol speelt bij het verlagen van de bulkdichtheid. Door de fijne verhouding en grootte van de bypass-retour te vergroten, worden de sintersnelheid en de sinterproductiviteit verhoogd.

Fig 3 toont de typische materiaalstroom bij de sinterfabriek. Het vervoer van retourboetes divergeert in twee routes door een divergentiedemper. De ene is naar de bestaande retourboetebak en de andere naar de nieuwe bypass-retourboetebak. Het retourfijnstof uit de bestaande retourfijnbak en de overige sintergrondstoffen worden samen met water in de menger gemengd en gegranuleerd. De retourboetes uit de bypass retourfijnbak worden na de menger toegevoegd. De sectie aan de rechterkant van figuur 3 toont de positionele relatie tussen de demper en de transportband. De demperpositie wordt aangepast om de verhouding van de bypass-retourboetes te regelen. De demper kan de retourboetes scheiden tussen de bovenlaag (by-pass retourboetes) en de onderlaag (granulatie retourboetes). De bandtransporteur voert grove deeltjes als bovenlaag af, waardoor relatief grote deeltjes naar de bypass retour fijne bak worden getransporteerd.

Fig 3 Typische lay-out van fijne retourtransportroute bij sinterfabriek

De permeabiliteit wordt verhoogd door twee factoren, namelijk (i) een lage fijne pseudo-deeltjesgrootte (min 0,25 mm) verhouding en (ii) een lage bulkdichtheid. De eerste wordt veroorzaakt door granulatie met een hoog vochtgehalte als gevolg van de toevoeging van droge retourkorrels na de granulatie wanneer het vochtgehalte bij het laden constant is.

Opladen met twee lagen

Bij een gelijkmatige oplading van het sintermengsel op de sinterstreng kan dit leiden tot een hogere temperatuur waardoor het sintermengsel versmelt. Dit beperkt de neerwaartse luchtstroom en het sinterproces. Bij dubbellaags laden worden ladingsmaterialen met een kleinere korrelgrootte en een hogere concentratie cokesbries in de bovenste laag geladen. Materiaal met grotere korrelgrootte (erts- en sinterretour) met een lagere concentratie cokesbries wordt in de onderste laag geladen. Dit zorgt voor een goede doorgang van warmte in de onderste lagen, een hoge doorlaatbaarheid van het bed en een efficiënt gebruik van de brandstof.

Verbeteringen in toevoerapparatuur voor sintermix

Gescheiden mengselbelading van het sintermengsel resulteert in grote deeltjes aan de onderkant van het sintermengsel op de pellets, terwijl kleine deeltjes aan de bovenkant van het sintermengsel op de pallets van de sintermachinestreng. Het gescheiden laden van het mengsel helpt bij de doorlaatbaarheid van het mengsel en helpt dus bij het verbeteren van de productiviteit van de machine. Er zijn verschillende uitvoeringen van het laadsysteem voor gescheiden laden. Sommige daarvan zijn (i) installatie van een extra scherm op de conventionele schuine goot, (ii) versterkte zeeftoevoer, (iii) gescheiden gespleten draad en (iv) magnetische breektoevoer. Afb. 4 toont een laadsysteem zonder gescheiden mengsellaadsysteem en laadsystemen met verschillende typen laadsystemen van het sintermengsel.

Fig 4 Systeem voor het laden van sintermix

Multi-spleetbrander in ontstekingsoven

Bij het ontsteken van de bovenkant van het sintermixbed op de sintermachine in de ontstekingsoven is de vlamstabiliteit van de brander essentieel. Multi-spleetbranders helpen bij het produceren van een enkele brede grote stabiele vlam die geen vlamgebieden elimineert en een minimale warmte-invoer voor ontsteking levert. Dit resulteert op zijn beurt in een besparing van de energie-input in de ontstekingskap. In een Japanse fabriek is gemeld dat de totale warmte-inbreng voor het ontsteken met multispleetbranders met ongeveer 30 % is verminderd in vergelijking met conventionele branders. De omtrek van de multi-spleetbrander wordt getoond in Afb. 5.

Afb. 5 Omtrek van een brander met meerdere sleuven

Standondersteuning sinteren

In Japan is een nieuwe sintertechniek ontwikkeld, 'stand support sintering' genaamd, om de sintercake te ondersteunen met stalen standaards (staven of platen) die aan pallets zijn bevestigd. Deze techniek verbetert de krimp, porositeit en reduceerbaarheid. Dankzij het steunsysteem neemt de productiviteit van de sintermachine aanzienlijk toe en loopt de machine stabieler.

Bij de sinterwerkwijze met steunondersteuning wordt de lading sinterkoek in het bovenste gedeelte van het bed van het sintermengsel ondersteund door stalen steunen tijdens het sinterproces. De belasting van de sinterkoek op de verbrandingssmeltzone eronder doet het sintermengselbed krimpen (bedverdichting) en verslechtert dus aanzienlijk de doorlaatbaarheid van het bed. De steunstandaards die in de sinterpallets zijn geïnstalleerd, beginnen de belasting van de sinterkoek erboven te ondersteunen op het moment dat het sintermengselbedgedeelte rond de bovenkanten van de standaards begint te stollen na verwarming en smelten. Het sinterproces van het onderste deel van het bed verloopt daarna onder een verminderde belasting, en een permeatienetwerk ontwikkelt zich goed in het deel om de doorlaatbaarheid te verbeteren.

Warmteterugwinning van afval

Warmteterugwinning in de sinterfabriek is een middel om de efficiëntie van het sinterproductieproces te verbeteren. Hete sinter moet worden gekoeld. De teruggewonnen warmte van de sinterkoeler wordt gebruikt om de verbrandingslucht voor de branders in de ontstekingsoven voor te verwarmen of om hogedrukstoom te genereren die kan worden gebruikt voor het opwekken van elektrische energie. In het geval van stoomopwekking onder hoge druk, bestaat de installatieconfiguratie van het energieterugwinningssysteem voor afvalgas uit een kap, stofvanger, warmteterugwinningsketel, circulatieventilator en ontluchter.

De sinterinstallatie bestaat uit twee meetsecties, namelijk (i) sintersectie en (ii) hete sinterkoelsectie. Warmteterugwinning uit beide delen is ontwikkeld uit uitlaatgas van de sintersectie en uit koelgas van de koelsectie. In figuur 6 is de gastemperatuurverdeling van beide secties weergegeven. Zoals in de afbeelding te zien is, is er een groot temperatuurverschil afhankelijk van de positie van de sectie. De gemiddelde gastemperatuur in beide secties ligt in het bereik van 100 ° C tot 150 ° C, wat te laag is voor effectieve warmteterugwinning. Warmteterugwinning is beperkt tot de zone met hoge gastemperatuur, het laatste deel van de sintersectie en het eerste deel van de koelsectie, waar een gastemperatuur van 300 ° C of hoger beschikbaar is. Hoewel de warmteterugwinningszone beperkt is, is het gasvolume van het sinterproces groot genoeg voor praktische warmteterugwinning die commercieel levensvatbaar is. Vanwege de corrosiviteit moet de gastemperatuur na warmteterugwinning ook boven het zuurpunt van het gas worden gehouden.

Fig 6 Restwarmteterugwinning in sinterfabriek

De warmteterugwinning van uitlaatgassen van de sintermachine kan worden onderverdeeld in circulatietype en niet-circulatietype (Fig 6). Bij het circulatietype wordt gas na warmteterugwinning naar de sintermachine gecirculeerd als vervanging van het koelgas, terwijl bij het niet-circulatietype het gas na warmteterugwinning direct naar de gasbehandelingsfaciliteit wordt geleid. Het circulatietype wordt gebruikt om de efficiëntie van de warmteterugwinning te verbeteren.

Naast het terugwinnen van warmte, helpt het systeem bij het verminderen van de SOx-, NOx- en deeltjesemissies en bij het verbeteren van de productiviteit, het rendement en de koudesterkte van de sinter. Met deze methode wordt energieterugwinning tot een niveau van 30% bereikt.

Emissie geoptimaliseerd sintersysteem

Het grote volume uitlaatgassen en de lage concentratie van te reinigen elementen is altijd een van de problemen geweest van sinterfabrieken. Het fundamentele doel van het emissie-geoptimaliseerde sintersysteem (EOS) is om het volume van de te reinigen gassen te verminderen (mogelijk een reductie tot 50%) door een kap boven het sinterrooster te plaatsen die wordt gevoed met zowel schone lucht als gerecycled lucht uit de windkasten. Afb. 7 toont sinterstreng met EOS-systeem.

Fig 7 Sinterstreng met emissie-geoptimaliseerd sintersysteem

Bestrijding van stofemissie

Toename van de productie in sintermachines leidt tot hogere stofontwikkeling en daarmee tot hogere fijnstofemissies. Deze emissies zijn stofrijk en bevatten een grote verscheidenheid aan organische en zware metalen gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen (HAP's). Door het afgas via negatief geladen leidingen naar elektrostatische stofvangers te sturen, wordt het fijnstof in de afgasstroom negatief geladen. Door deze stroom langs positief geladen platen te leiden, wordt het negatief geladen fijnstof aangetrokken en opgevangen, waardoor schoon afvalgas wordt geproduceerd en de hoeveelheid stoomterugwinning wordt vergroot. Grof stof wordt in droge stofvangers verwijderd en gerecycled. Het gebruik van ESP (elektrostatische stofvanger) vermindert het stofniveau van de afgassen.

EFA-proces

Dit proces staat bekend als 'entrained flow absorber (EFA). Het is ontwikkeld door Paul Wurth. Het EFA-proces wordt geïnstalleerd aan het einde van het sinterfabriekproces. Het bestaat in wezen uit een meegevoerde stroomabsorbeerder en een zakfilter. Met deze apparatuur worden uit de sinterfabriek afgas, stof, zwaveloxiden, zoutzuur, fluorwaterstofzuren, dioxines en furanen afgevangen. De absorber werkt met gehydrateerde kalk (calciumhydroxide) en bruinkoolcokes om dioxines en furanen te absorberen. De optimale reactieomstandigheden worden bereikt door water onder hoge druk in de reactor te sproeien en de temperatuur in het bereik van 80 ° C tot 110 ° C te houden. Het geïnjecteerde water wordt verdampt en stof van het afgas wordt opgevangen in de zak -type filter. Het zwavelgehalte is lager dan 50 mg per cum op RWZI, het stofgehalte is lager dan 5 mg per cum op RWZI en het furanen/dioxinegehalte is lager dan 0,1 nanogram per cum op RWZI.

MEROS-proces

Het proces van gemaximaliseerde emissiereductie van het sinteren (MEROS) is een innovatieve technologie die is ontwikkeld door Primetals Technologies om de vervuilende emissies van sinterfabrieken te verminderen. Door het gebruik van specifieke additieven worden de vervuilende componenten in de gasstroom gecombineerd en gescheiden in een aangesloten doekenfilter. Het proces is ‘halfdroog’ en dus 100% effluentvrij.

MEROS-proces is een reinigingsproces voor het in verschillende fasen verwijderen van stof, zure gassen, giftige metalen en organische verbindingen. Het proces bestaat uit drie stappen, namelijk (i) injectie van op koolstof gebaseerde adsorbentia en ontzwavelingsmiddelen in de sinter-afgasstroom in de tegenstroomrichting om zware metalen en organische verbindingen te binden, (ii) circulatie van de gasstroom door een conditioneringsreactor waar het gas wordt bevochtigd en afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer 100°C door middel van een geïnjecteerde fijne nevel (versnelt de chemische reacties die nodig zijn voor het binden en verwijderen van SO2 en andere zure gascomponenten, en (iii) de afgasstroom die de conditioneringsreactor verlaat, gaat door een zakkenfilter waar het stof met de ingesloten verontreinigende stoffen wordt verwijderd.

In dit proces worden stof, zure gassen, gevaarlijke metalen en organische verbindingen die aanwezig zijn in de sintergassen verwijderd met een hoog rendement. In 2007 is de eerste installatie in Linz (Oostenrijk) in gebruik genomen met een gasbehandelingscapaciteit van 1 miljoen N cum per uur. Stofemissies met het MEROS-proces worden verlaagd tot minder dan 5 mg per N cum. Emissies van kwik, lood, organische verbindingen (zoals dioxinen en furanen (PCDD/F)), HCl, HF en totaal condenseerbare VOS (vluchtige organische stoffen) worden verlaagd tot minder dan 0,1 nanogram per N cum. Een van de meest opvallende kenmerken van het MEROS-proces is dat het voldoet aan de huidige milieuregelgeving en kan werken binnen de beperkingen die in de nabije toekomst kunnen worden gesteld. Het basisstroomschema van het MEROS-proces wordt getoond in figuur 8.

Fig 8 Basisstroomschema van het MEROS-proces

Selectief afvalgasrecirculatiesysteem

Tijdens het sinterproces is het aangezogen luchtvolume normaal gesproken groter dan nodig is voor volledige verbranding van de brandstof om een ​​hoge snelheid van het vlamfront mogelijk te maken. Sinterafvalgas bevat dus typisch ongeveer 12% tot 15% restzuurstof. Het is ook bij een temperatuur die ruim boven het kritische dauwpunt ligt. Dit is voldoende voor recirculatie naar het sinterproces na toevoeging van een kleine hoeveelheid extra lucht.

In het ‘selectieve afvalgasrecirculatiesysteem’ wordt het afgas uit geselecteerde zones van de sintermachine gemengd met koelere afvallucht en vervolgens gerecirculeerd naar de sinterstreng. Het selectieve afvalgasrecirculatiesysteem is in eerste instantie ontwikkeld om het afgasvolume op een constant niveau te houden en tegelijkertijd de sintercapaciteit te vergroten en de specifieke emissies te verminderen. Hierdoor kunnen de investerings- en bedrijfskosten voor gasreinigingsinstallaties op een acceptabel niveau worden gehouden.

Een typisch schematisch diagram van een selectief afvalgasrecirculatiesysteem wordt gegeven in figuur 9. In deze figuur worden hete uitlaatgassen van de eerste en derde secties van de sintermachine gemengd met luchtafvoer van de sinterkoeler en omgevingslucht en teruggevoerd naar het tweede deel van de sintermachine. Een deel van het afvalgas wordt teruggevoerd naar een kap die een deel van de sinterstreng bedekt.

Fig 9 Typisch schematisch diagram van selectief afvalgasrecirculatiesysteem

De voordelen van het systeem zijn (i) een verlaging van het rookgasvolume per eenheid sinter met ongeveer 50 %, (ii) een verlaging van het specifieke verbruik van vaste brandstoffen met 10 % tot 15 % vanwege het gebruik van de rookgaswarmte en de nabehandeling van CO (koolstofmonooxide). verbranding, (iii) lagere investerings- en bedrijfskosten voor afgasreinigingsinstallatie, (iv) het productiviteitsniveau en de sinterkwaliteit worden gehandhaafd, (v) verminderde CO2-emissies, en (vi) lagere specifieke emissies van SOx, NOx, PCDD/ PCDF (dibenzo-p-dioxinen/dibenzofuranen) en zware metalen.

Modellen van het sinterproces

Tijdens het sinteren vinden verschillende chemische reacties en fasetransformaties plaats, niet alleen vanwege de veranderingen in het warmtefront, maar ook vanwege de wijzigingen van de lokale gassamenstelling en initiële smelttemperaturen van het mengsel van grondstoffen. Wanneer de lokale temperatuur en samenstelling van de vaste stoffen is bereikt, worden de fasetransformaties meestal aangedreven door warmtetoevoer en diffusie die plaatsvinden in het deeltjesbed, waarbij het mechanisme van vloeistofvorming de hoofdrol speelt. De materialen smelten gedeeltelijk wanneer de lokale temperatuur de smelttemperatuur bereikt en terwijl het beweegt, bevordert het contact met koud gas het opnieuw stollen en zo vormt de deeltjesagglomeratie een continue poreuze sinterkoek. De uiteindelijke eigenschappen van de sinterkoek zijn sterk afhankelijk van de thermische cyclus, de initiële chemische samenstelling van de grondstoffen en de thermofysische eigenschappen die tijdens het sinteren zijn ontwikkeld. Het wiskundige model van het sinterproces simuleert de verschijnselen die plaatsvinden in de sintermachine bij de industriële productie van sinter naar de hoogoven.

De methode voor het modelleren van het sinterproces van een industriële strengmachine is gebaseerd op multi-fase en multi-component transportvergelijkingen van momentum, massa en energie voor gas, vaste en vloeibare fasen, rekening houdend met de lokale verschijnselen van poreuze sintervorming ( Afb. 10). Het model beschouwt de fasen die gelijktijdig op elkaar inwerken en de chemische soort van elke fase wordt berekend op basis van de vergelijkingen voor het behoud van chemische soorten. De nauwkeurige beschrijvingen van snelheidsuitwisseling voor momentum, energie en chemische reacties zijn essentieel voor de gehele nauwkeurigheid van het model.

Fig 10 Meerfasige overdracht van momentum, massa en energie overwogen voor het sintermodel

De chemische soorten worden afzonderlijk in aanmerking genomen door de transportvergelijking van elke chemische soort van de gas- en vaste fasen op te lossen. De vaste fase is goed voor het mengsel van ijzererts-sintervoeding, fijne sinter (geretourneerde fijne sinter), cokesbries (of andere vaste brandstof), schubben (fijnstof van staalfabriek) en fluxen. De vloeibare fase is samengesteld uit gesmolten en gevormde componenten in de vloeibare fase. De opnieuw gestolde fase omvat de opnieuw gestold vloeistoffen en fasen gevormd tijdens het herstollingsproces en is sterk afhankelijk van de lokale vloeistofsamenstelling en warmte-uitwisseling. De uiteindelijke sinterkoek wordt gevormd door een mengsel van deze materialen en de kwaliteit ervan hangt af van de uiteindelijke samenstelling en volumefracties van elk van deze materialen en hun verdeling binnen de mozaïek-sinterstructuur.

In het sinterprocesmodel wordt aangenomen dat de gevormde vloeibare fase samen met de resterende vaste fase beweegt vanwege de viscositeit en gezien het feit dat de vloeistof wordt gevormd gehecht aan het oppervlak van de niet-gesmolten deeltjes, dus vergelijkingen voor impulsoverdracht en enthalpie van de vaste stoffen zijn verantwoordelijk voor dit mengsel van viskeuze vloeibare en vaste materialen. In het model wordt aangenomen dat de temperatuur-samenstellingsafhankelijke thermofysische eigenschappen de mengselregel volgen om rekening te houden met de individuele fase-eigenschappen die worden overwogen door hun fasevolumefracties.

Automatisering en controlesysteem

Met het uiteindelijke doel het sinterproces te stabiliseren, de productiviteit te verhogen en de productiekosten te verlagen, is een automatisering en controlesysteem nodig in de sinterfabriek om een ​​optimale en stabiele werking tijdens het sinterproces te verzekeren. Hiervoor zijn verschillende pogingen gedaan om in-bed fenomenen te begrijpen en het proces naar een optimale werking te sturen. De belangrijkste controletechnieken bij sinteren zijn controle van de ladingsdichtheid om uniform sinteren over de breedte van de streng te bereiken en snelheidsregeling van de pallet om een ​​optimale productiviteit en sinterkwaliteit te behouden.

The automation and control system for sinter plant is a three-level hierarchical system which uses the distributed control system (DCS), centralized process computer system (PCS), and central computer systems (CCS) of the steel plant. DCS performs functions such as measuring wind velocity distribution and gas temperature distribution along the sinter strand, and also ‘direct digital control’ (DDC). PCS performs functions such as process control to optimize sinter plant operation, and information services to operators. CCS performs functions such as planning, managing, and data analysis of production and operation based on the general-purpose data base. Fig 11 shows the automation and control system for sinter plant.

Fig 11 Automation and control system for sinter plant

The closed-loop sinter expert system is designed so that operator has to take ‘as few actions as possible, as many as necessary’ with the target to enable an optimized sinter operation needing minimal operator interactions. The expert system, which is designed as a rule based decision system , counteracts process fluctuations caused by changes in the raw mix composition and quality, human factors or process conditions. The sooner the system responds to an abnormal or changing process situation, the smoother the overall sinter operation is. The accurate timing of control activities and anticipation of disturbances are of utmost importance to avoid critical process conditions and to maintain a high production rate at low costs.

With the automation and control system, optimum process control conditions are achieved since perfect alignment of process parameters takes place. Integrated level 2 automation system at the sinter plant, the standard deviation of quality parameters can be decreased by around 5 % to 10 %. This system also helps in reduction of coke breeze consumption can be reduced by around 3 % and productivity can be increased by around 3 % to 5 %.