3 Produkcja stali - przegląd 3.1 Etapy procesu stalowniczego

Obecnie w produkcji stali stosowane są cztery procesy: klasyczny proces wielki piec/zasadowy konwertor tlenowy, bezpośrednie topienie złomu (elektryczny piec łukowy), redukcja przez wytapianie i bezpośrednia redukcja (rysunek 3.1)

ruda gruboziarnista ruda

ruda gruboziarnista ruda drobnoziarnista

ruda gruboziarnista

'"nidśi" drobnoziarnista

zloin złom

drobnoziarnista

Mb

P^l

olei

redukcja poprzez topienie

redukcja be/pośrednia j I | | /lom —j | tle

piec elektryi Inlumv

r^ * ir

-^Hh rriłh

konwertor

spiekanie

0-» konwertor

redukcja wstępna

węgiel

_Lł

Rysunek 3.1: Metody produkcji stali surowej - [Ullmann, 1994]

Obecnie produkcja stali w 15 Państwach Członkowskich UE (1998) opiera się na procesie obejmującym wielki piec/zasadowy konwertor tlenowy (około 65%) i procesie elektrycznego pieca łukowego (około 35%) (patrz rysunek 1.2). Procentowy udział topienia i bezpośredniej redukcji w światowej produkcji stali surowej w 1996 roku wynosił około 4% [Hille, 1997]. W Europie produkcja bezpośrednio zredukowanego żelaza (DRI) ogranicza się do około 500000 t/rok (Niemcy i Szwecja), co stanowi około 1,5% światowej produkcji. Podano, że w 1995 roku zużycie bezpośrednio zredukowanego żelaza w produkcji stali z wykorzystaniem elektrycznych pieców łukowych w UE (15) wynosiło 400000 t, aczkolwiek zainteresowanie tym materiałem wzrasta i pojawiają się nowe technologie produkcji. Obecnie w UE (15) nie istnieją żadne zespoły redukcji wytapiania na skalę przemysłową. Dlatego też procesy te nie zostały opisane w niniejszym rozdziale, ale zostaną wspomniane w rozdziale zatytułowanym "Alternatywne technologie produkcji żelaza".

3.2 Huty zintegrowane (huty o pełnym cyklu produkcyjnym)

Spośród czterech procesów wytwarzania stali opisanych w rozdziale 3.1 klasyczny proces wielki piec/zasadowy konwertor tlenowy jest jak dotychczas najbardziej złożonym procesem przebiegającym w dużych przemysłowych kompleksach określanych jako zintegrowane huty,
które zajmują obszary o powierzchni do kilku kilometrów kwadratowych (rysunek 3.2). Zintegrowane huty charakteryzują się siecią współzależnych przepływów materiałów i energii pomiędzy różnymi jednostkami produkcyjnymi, z których większość została uwzględniona w niniejszym dokumencie referencyjnym (spiekalnie, grudkownie, koksownie, wielkie piece i stalownie konwertorowe z systemem odlewania stali). Przed podaniem szczegółowego opisu poszczególnych rodzajów zakładów, przedstawiony zostanie przegląd powyższych współzależności.

Rysunek 3.2: Widok z lotu ptaka na zintegrowaną hutę usytuowaną na wybrzeżu. 3.2.1 Przegląd procesu

Przebieg procesu zintegrowanej huty omawianej w niniejszym dokumencie referencyjnym BREF pokazano na rysunku 3.3. Rysunek ten przedstawia schematyczny przegląd głównych materiałów wejściowych i wyjściowych (strumienie masy) dla każdego etapu procesu.

Główną jednostką operacyjną w zintegrowanej hucie jest wielki piec, w którym następuje redukcja tlenków rud, w wyniku której otrzymywane jest ciekłe żelazo, zwane surówką. Nowoczesne wielkie piece o wysokiej wydajności wymagają fizycznego i metalurgicznego przygotowania wsadu. Istniej ą dwa rodzaje zakładów przygotowania rudy: spiekalnie i grudkownie. Grudki są prawie zawsze wykonywane z jednej określonej rudy żelaza lub koncentratu (patrz rysunek 2.1) w kopalni i stąd są transportowane. W Europie istnieje tylko jedna zintegrowana huta, w której działa także grudkownia. Spiek jest zasadniczo produkowany w hutach stali ze wstępnie przygotowanych mieszanek drobnoziarnistej rudy żelaza, pozostałości i dodatków.

Głównymi czynnikami redukuj ącymi w wielkich piecach są koks i sproszkowany węgiel tworzący tlenek węgla i węglowodór, który redukuje tlenki żelaza. Koks i węgiel działają również częściowo jako paliwo.

Koks jest produkowany z węgla za pomocą suchej destylacji w piecu koksowniczym i ma lepsze właściwości fizyczne i chemiczne niż węgiel. W wielu przypadkach stosowane są dodatkowe czynniki redukujące/paliwa, które są dostarczane przez wtryskiwanie oleju, wdmuchiwanie gazu ziemnego i (w niektórych przypadkach) tworzyw sztucznych. Gorący dmuch dostarcza tlenu potrzebnego do powstania tlenku węgla, który jest podstawowym czynnikiem redukującym dla tlenków żelaza.

Rysunek 3.3: Schemat przebiegu procesu zintegrowanej huty - [Brytyjski Instytut Public Relations (UK IPR) 2/1, 1994] -

(grudkownia nie została uwzględniona, ponieważ tylko jedna zintegrowana huta w Europie ją posiada)

Wielki piec jest ładowany od góry wsadem składającym się z naprzemiennie układanych warstw koksu, mieszanki spieku i/lub grudek, rudy kawałkowej i topników. Żelazo w piecu poddawane jest stopniowej redukcji, a ciekłe żelazo (surówka) i żużel zbierane są na dnie wielkiego pieca, gdzie następuje spust.

Żużel z wielkiego pieca jest poddawany granulacji, grudkowaniu lub jest spuszczany do dołów żużlowych. Granulki żużlu lub grudki są zwykle sprzedawane do zakładów produkujących cement. Żużel z dołów żużlowych może być również wykorzystany do budowy dróg.

Surówka z wielkiego pieca jest transportowana do zasadowego konwertora tlenowego, gdzie zawartość węgla (około 4%) jest obniżana do poniżej 1%, w wyniku czego powstaje stal. W celu wyprodukowania stali o wymaganej jakości przeważnie stosuje się odsiarczanie surówki przed procesem konwertorowym oraz rafinację stali w kadzi (obróbka pozapiecowa). Ciekła stal z zasadowego konwertora tlenowego jest odlewana do wlewnic lub za pomocą ciągłego odlewania. W niektórych przypadkach stosowane jest odgazowanie próżniowe w celu poprawienia jakości stali.

Wyroby odlewane, takie jak wlewki, kęsy lub kęsiska płaskie, są następnie przerabianie na walcowniach i liniach wykańczających na wyroby gotowe do sprzedaży.

3.2.2 Współzależność różnych procesów/zespołów produkcyjnych pod względem energii, produktów ubocznych/pozostałości, powietrza i wody.

Przegląd procesu na rysunku 3.3 przedstawia różne jednostki produkcyjne zintegrowanej huty. Poszczególne jednostki są ze sobą powiązane pod względem przepływów produktów, wewnętrznych przepływów pozostałości (zgorzeliny walcowniczej, pyłów z filtra, szlamów z wypłukiwania gazu wielkopiecowego i konwertorowego itp.), wody (wspólne oczyszczanie różnych strumieni ścieków, kaskadowe wykorzystanie wody chłodzącej itp.) i energii (gaz koksowniczy, gaz wielkopiecowy, gaz konwertorowy, para z turbin rozprężnych napędzanych gazem gardzielowym lub z zasadowych konwertorów tlenowych itp.). Współzależności te zostały wprowadzone, aby zminimalizować emisję, zoptymalizować zdolność produkcyjną i zredukować koszty.

3.2.2.1 Energia

Spośród wymienionych powyżej współzależności najbardziej skomplikowane są te, które dotyczą energii. Rysunek 3.4 przedstawia przykład wejściowych i wyjściowych przepływów każdego z rodzajów energii oraz wewnętrzny przepływ energii w zintegrowanej hucie. Dominującymi źródłami energii są węgiel oraz zakupiony od zewnętrznego dostawcy koks. Innymi źródłami są energia elektryczna, gaz ziemny, olej i (w pewnych przypadkach) tworzywa sztuczne. W wielu przypadkach stosowany jest gaz koksowniczy, gaz wielkopiecowy oraz gaz konwertorowy (podgrzewanie baterii koksowniczych, ogrzewanie nagrzewnic gorącego dmuchu, zapłon wsadu spiekalniczego, ogrzewanie pieców do nagrzewania wsadu walcowniczego itp.). W różnych procesach stosowana jest także para z turbin rozprężnych napędzanych gazem gardzielowym lub para z zasadowych konwertorów tlenowych.

Gaz koksowniczy i gaz wielkopiecowy są odzyskiwane i wykorzystywane we wszystkich zintegrowanych hutach. Nie dotyczy to gazu konwertorowego lub odzysku pary w przypadku, gdy gaz gardzielowy napędza turbinę rozprężną. Odzysk pary jest zależny od ciśnienia gazu gardzielowego, warunków roboczych zasadowego konwertora tlenowego i użyteczności gazu konwertorowego.

Na rysunku 3.5 przedstawiono szczegółowo dystrybucję różnych rodzajów energii pod względem ilości w zintegrowanej hucie. Wszystkie dane na tym rysunku odnoszą się do całkowitego nakładu energii, łącznie z energią pochodzącą z zewnętrznych źródeł. Około 88% importowanej energii otrzymuje się z węgla, z którego 83% jest przetwarzane na koks. Wielkie piece pobierają około 60% energii zużywanej w całej hucie, w następnej kolejności są walcownie (25%), spiekalnie (około 9%) i piece koksownicze (około 7%).

Jn

elektryczna

linio >ln <-vnl«vuuni-,i

Rysunek 3.4: Przykład wejściowego, wyjściowego i wewnętrznego przepływu energii w systemie nowoczesnej zintegrowanej huty - [Joksch, 1998].

Rysunek 3.5: Typowy rozkład zapotrzebowania na energię przy produkcji jednej tony surowej stali w zintegrowanej hucie - [Ullmann, 1989];

Przykład ten potwierdza liczby podane w punkcie 1.5.

3.2.2.2 Pozostałości stałe/produkty uboczne

Przy zagospodarowywaniu pozostałości w zintegrowanej hucie stosuje się zaawansowane technologie uzyskiwania wartości z różnego rodzaju żużlu oraz recykling większości pozostałości na spiekalnię, która może być uznana za „żołądek zintegrowanej huty". Dlatego też proces spiekania i spiekalnia stanową istotny element w recyklingu pozostałości, dla którego nie istnieje żadna adekwatna alternatywa. Jedynie mała część wszystkich pozostałości jest składowana na hałdach. Na pozostałości te składają się najczęściej drobnoziarnisty pył pochodzący z oczyszczania gazu wielkopiecowego, gruz, drobnoziarnisty pył pochodzący z płukania gazu z zasadowego konwertora tlenowego (gdy stosowane jest oczyszczanie na mokro) oraz, w niektórych przypadkach, chlorki o wysokiej alkaliczności oraz chlorki metali ciężkich z ostatniego pola filtrów elektrostatycznych oczyszczających gaz odlotowy z taśm spiekalniczych. Na rysunku 3.6 przedstawiono typowy przykład zagospodarowania produktów ubocznych i pozostałości w zintegrowanej hucie.

Rysunek 3.6: Typowy przykład zagospodarowania pozostałości i produktów ubocznych w zintegrowanej hucie - w oparciu o [Bothe, 1993]

3.2.2.3 Woda

Gospodarka wodna w zintegrowanej hucie zależy głównie od miejscowych warunków, a przede wszystkim od dostępności świeżej wody i wymogów prawnych. Prawne ograniczenia dotyczą zwykle minimalizowania odpływu wody chłodzącej i ścieków zanieczyszczonych mechanicznie, ale w niektórych przypadkach władze wymagają również unikania pióropuszy z wież chłodniczych, co pozwala uniknąć dalszego recyklingu wody chłodzącej.

Rysunek 3.7 przedstawia model gospodarki wodnej, w którym uwzględniono proces oczyszczania wody w zintegrowanej hucie przy nadwyżce dostępnej wody dopływowej, wyjaśniający obecność wielu układów chłodzenia jednoprzejściowego, prowadzącą do jednostkowego zużycia wody w ilości ponad 100 m /t stali. W miejscach o bardzo małej dostępności świeżej wody konieczne jest oszczędzanie wody w jak największym zakresie. W
takich przypadkach jednostkowe zużycie wody może zostać ograniczone do mniej niż 10 m /t

3

stali, a czasami nawet do mniej niż 5 m /t stali. Wzajemne zależności są wtedy znacznie silniejsze.

gospodarka wodna zintegrowanej huty - przykład (liczby w % przepływu)

koksownia

spiekalnia

wielki piec 5

wielkie nWe 1 -d ^^konwertorflawm WieiKie pieit ±-t diltaBmJkiYamtstiili

^ miejska <ir/.y^y.ł"/<ilnih ścieków

walcownia gorąca

walcownia cynkowanie zimna ogniowe

powlekanie taśm

legenda:

- jednokrotne użycie wody chłodzącej gclek] do iln ] HlłlAw rteylkiiijr po ponownym chlodieniu

spusi z obiegów wodnych do oczyszczalni ścieków

[yiwij jwjij

wielokrotne mt osawaitłc (koakadu) (tor^NrralniB Ńoieków

jywjrj

i i

I

T

rzeka

miejska oczyszczalnia ścieków

Rysunek 3.7: Przykład gospodarki wodnej w zintegrowanej hucie usytuowanej w miejscu o dużej dostępności wody.