Разработка научных и технических решений по реализации инновационной технологии Ромелт для ликвидации железосодержащих техногенных отходов горных, обогатительных и металлургических предприятий

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 19 сентября 2014 года № 14.578.21.0049 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 1 января 2015 г. по 30 июня 2015 г. в соответствии с План-Графиком выполнены следующие работы:

• По п.2.1.1 ПГ: Исследовано взаимодействие железосодержащих отходов и неиспользуемых бедных железных руд с углями.
• По п.2.1.2 ПГ: Разработаны способы и технологические схемы обогащения объектов железосодержащих отходов и бедных железных руд с содержанием железа менее 35%.
• По п.2.1.3 ПГ: Проведено термодинамическое моделирование распределения компонентов железосодержащих отходов между металлом, шлаком и газом применительно к технологии Ромелт.
• По п.2.1.4 ПГ: Разработан алгоритм и математические модели расчета материальных и тепловых балансов печи Ромелт.
• По п.2.1.5 ПГ: Проведен и обоснован выбор оптимальных месторождений угля для утилизации железосодержащих отходов и неиспользуемых бедных железных руд.
• По п.2.2 ПГ: Разработана математическая модель, предназначенная для прогнозирования технико-экономических показателей разрабатываемого способа утилизации железосодержащих отходов и неиспользуемых бедных железных руд на базе технологии Ромелт и оптимального сочетания технических решений для печи Ромелт.
• По п.2.3 ПГ: Проведены расчеты и математическое моделирование технико-экономических показателей разрабатываемого способа утилизации железосодержащих отходов и неиспользуемых бедных железных руд на базе технологии Ромелт, позволяющие осуществить их прогноз с целью выбора рационального, экономически обоснованного, оптимального сочетания технических решений для печи Ромелт.

На данном этапе работы проведены исследования, направленные на разработку оптимальных условий утилизации железосодержащих отходов и переработки бедных железных руд, и получены следующие результаты в соответствии с разделами Технического Задания.

Проведены исследования механизма жидкофазного восстановления оксидов железа и поведения примесей тяжелых цветных металлов. С применением термодинамического моделирования выявлены возможные механизмы восстановления железа, в том числе различия в стадиях для двух- и трехвалентной модификации. Проведены расчеты по восстановлению оксидов цветных металлов, построен ряд «восстановимости» металлов по отношению к железу по степени увеличения сродства металла к кислороду, т.е. получен порядок восстановления примесей.

Рассмотрены способы обогащения железосодержащих отходов черной металлургии, углеобогащения и золошлаковых отвалов с содержанием железа менее 35%. Предложена схема комплексной утилизации многокомпонентных отходов с получением высокожелезистого продукта для использования в процессе Ромелт, а также шлаков для строительной промышленности. Проведен анализ углей различных месторождений, в том числе бурых, с точки зрения возможности использования в технологии Ромелт. Установлены технический и элементный составы углей, составы золы и серосодержащих компонентов. На основе полученных данных выделены угли, использование которых оптимально в технологии Ромелт: содержание летучих 15-20%, минимальное количество золы и пиритной серы, максимальное — фиксированного углерода.

Разработаны модели расчета балансов классической технологии Ромелт и ее модификаций применительно к железосодержащим материалам комплексного состава. Разработан алгоритм и математическая модель расчета технико-экономических показателей технологии Ромелт применительно к утилизации железосодержащих отходов и переработке бедных железных руд. Схема алгоритма включает расчет технологических показателей с учетом специфики выбранных технических решений и экономический расчет эффективности с учетом анализов рисков. Выведены уравнения для расчетов материального баланса технологии, удельных расходов шихтовых материалов, угля и энергоносителей, а также выхода и состава получаемой продукции. Разработана модель модификации технологии — двухзонного варианта процесса Ромелт.

Проведены расчеты и моделирование технико-экономических показателей способа утилизации железосодержащих отходов и бедных железных руд на основе технологии Ромелт для переработки бедной железной руды (бурый железняк) и утилизации железосодержащих отходов металлургического комбината с использованием четырех марок углей различного качества. Наименьшие удельные расходы наблюдаются при утилизации железосодержащих отходов с использованием угля Кузнецкого бассейна марки СС.

Показано, что применение более низкокачественного угля, требующее дополнительных капитальных затрат, компенсируется возрастанием выхода электроэнергии. Таким образом, соотношение цена/качество угля не является лимитирующим фактором для выбора оптимальной марки угля.

Установлено, что переработка бедной железной руды без предварительного обогащения, независимо от марки угля, характеризуется невысокими экономическими показателями и плохой устойчивостью к рискам. В то же время технико-экономические показатели утилизации железосодержащих отходов обладают значительной степенью устойчивости к влиянию, как технических, так и экономических факторов риска.

На основании выполненных в ходе этапа исследований сформулирована концепция совершенствования известной технологии Ромелт применительно к переработке многокомпонентных железосодержащих отходов и комплексных руд.

К основным элементам новизны, полученным на данном этапе, относятся:

• Исследования механизма жидкофазного восстановления и распределения ряда компонентов между фазами с применением отечественной автоматизированной программы ИВТАНТЕРМО с самосогласующейся базой данных. Впервые сделано и подтверждено термодинамическими расчетами и модельными лабораторными экспериментами предположение о сохранении принципа последовательности превращений оксидов железа при жидкофазном восстановлении. На этой основе, а также с учетом рассчитанного ряда «восстановимости» металлов по отношении к железу, разработаны теоретические основы использования двухзонного варианта технологии Ромелт для переработки высших оксидов, многокомпонентных железосодержащих отходов и комплексных руд.
• Модель модификации технологии — двухзонный варианта процесса Ромелт, включающая разработанные модели расчета балансов технологии применительно к железосодержащим материалам комплексного, нетрадиционного состава, приведенные основные входные и выходные показатели технологии, разработанные алгоритмы расчета технологических показателей. Предлагаемая модификация технологии, в отличие от зарубежных аналогов (процессы Corex, HIsmelt), позволяет использовать неподготовленные железосодержащие материалы, в том числе с примесями соединений летучих цветных металлов.

Все теоретические исследования I-ой очереди, запланированные к выполнению на настоящем этапе в Технологическом Задании и План-Графике, реализованы в соответствии с требованиями, предъявляемым к прикладным научным работам.

В соответствии c План-Графиком внебюджетных работ по Соглашению о предоставлении субсидии, выполняемых Индустриальным партнером, и графиком поставок оборудования и комплектующих для строящегося комплекса Ромелт было поставлено нестандартное оборудование для оснащения газоочистки и аспирации, необходимое для эксплуатации пилотной печи Ромелт и проведения опытных плавок.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.