Czym jest branża DRI? Przewodnik po procesie, piecu i reformerze

Przemysł DRI odnosi się do segmentu metalurgii stali zajmującego się produkcją żelaza bezpośrednio zredukowanego poprzez przekształcenie rudy żelaza w metaliczne żelazo o wysokiej czystości w drodze redukcji w oparciu o gaz lub węgiel w temperaturach poniżej temperatury topnienia żelaza. W procesie tym całkowicie omija się drogę wielkiego pieca, opierając się zamiast tego na redukcji gazu wytwarzanego w systemach reformera w celu usunięcia tlenu z granulek rudy żelaza lub rudy bryłowej. Urządzenia takie jak rura do reformingu DRI, korpus pieca szybowego i powiązana sieć grzejników opalanych są podstawą każdej linii produkcyjnej DRI, a niezawodność tych komponentów determinuje zarówno jakość produkcji, jak i koszty operacyjne.

Podstawowe ścieżki technologiczne i konfiguracja procesów w branży DRI

Procesy wykorzystujące gazowy piec szybowy stanowią około 75,8 procent światowej zdolności produkcyjnej DRI, przy czym MIDREX i Energiron reprezentują dwóch dominujących licencjodawców technologii. Cały łańcuch procesu przebiega przez cztery połączone etapy: redukcja w piecu szybowym, reforming gazowy w rurach reakcyjnych wypełnionych katalizatorem, odzysk ciepła odpadowego w sekcji konwekcyjnej oraz końcowe brykietowanie lub chłodzenie. Ponieważ obniżenie jakości gazu napędza cały łańcuch, sieć rur reformera znajduje się w centrum wydajności procesu.

Typ procesu	Reduktor	Forma reaktora	Globalny udział w mocy	Typowa temperatura
Gazowy piec szybowy	Gaz ziemny / wodór	Piec szybowy	75,8%	900–1050°C
Piec obrotowy na bazie węgla	Węgiel niekoksujący	Piec obrotowy	24%	900–1050°C
Złoże fluidalne na bazie gazu	Gaz ziemny	Reaktor ze złożem fluidalnym	0,2%	Około. 600°C
Piec z paleniskiem obrotowym	Węgiel / koks	Piec z paleniskiem obrotowym	Drobny udział	1250–1350°C

W branży DRI dominują procesy wykorzystujące gazowe piece szybowe, ponieważ łączą wysoką sprawność cieplną z elastycznymi formami wyjściowymi, w tym zimnym DRI, gorącym DRI i gorącym brykietowanym żelazem. Przygotowanie gazu redukującego stanowi rdzeń operacyjny tej metody: gaz ziemny miesza się z gazem piecowym poddanym recyklingowi i przepływa przez rury reformera wypełnione katalizatorem na bazie niklu, wytwarzając strumień reakcyjny bogaty w wodór, który przeprowadza faktyczną redukcję wewnątrz pieca szybowego.

Normy produkcyjne dla elementów rur reformera DRI i rur katalizatora

Rura do reformingu DRI to przenoszący ciśnienie rdzeń pieca do reformingu, narażony na wewnętrzne temperatury gazu powyżej 900°C, bezpośrednie ciepło promieniowania z zewnętrznych palników, utrzymujące się ciśnienie wewnętrzne i zużycie mechaniczne spowodowane złożem katalizatora. Proces rurowego pieca do odlewania odśrodkowego jest standardową praktyką w przypadku tego elementu, ponieważ pozwala uzyskać gęstą mikrostrukturę ścian i wyrafinowaną strukturę ziaren, co przekłada się bezpośrednio na większą odporność na pełzanie i odporność na utlenianie w porównaniu z odlewaniem statycznym.

Wybór materiałów zazwyczaj koncentruje się na żaroodpornych stopach o wysokiej zawartości niklu i chromu, takich jak gatunki HP i HK, zawierające od 25 do 35 procent chromu i od 35 do 45 procent niklu, z dodatkiem niobu, wolframu i tytanu w celu wzmocnienia granic ziaren. Ta sama technologia rur katalitycznych obsługuje również rurę reformera do wytwarzania wodoru stosowaną w jednostkach produkujących wodór, ponieważ oba zastosowania mają prawie identyczne wymagania termiczne i ciśnieniowe.

Temperatura pracy: wewnętrzna od 900 do 1050°C, przy temperaturze ścianek do 1100°C
Wymagania dotyczące ciśnienia: musi wytrzymywać wewnętrzne ciśnienie gazu redukującego w połączeniu z ciężarem złoża katalizatora
Standard materiałowy: żaroodporny stop o wysokiej zawartości niklu i chromu o gęstej strukturze odlewu odśrodkowego
Żywotność: typowy cykl operacyjny około 8 do 12 lat
Proces produkcyjny: odlewanie odśrodkowe, obróbka precyzyjna i badania nieniszczące

Rodzaje awarii w rurach reakcyjnych obejmują głównie odkształcenie pełzające, pękanie zmęczeniowe cieplne, kruchość nawęglania i odpryskiwanie zgorzeliny tlenkowej. Zagrożeniom tym zapobiega się poprzez kontrolowane szybkości chłodzenia odlewu, zoptymalizowane proporcje stopów i rygorystyczną kontrolę każdego arkusza rur, kolektora i połączenia kolektora, zanim zespół opuści fabrykę.

Polecana seria produktów do systemów DRI i grzejników opalanych

Poniższe linie urządzeń obejmują sieć rur reformera, korpus pieca szybowego oraz powiązane systemy krakingu i ogrzewania opalanego, stosowane w zakładach DRI, instalacjach etylenu i operacjach rafinacji.

Rura pękająca (cewka promieniująca)

Przemysł etylenowy

Piec do krakingu etylenu

Przemysł Chemiczny

Projekt konstrukcyjny pieca DRI i powiązanych systemów grzejników opalanych

Gazowy piec szybowy DRI zbudowany jest jako cylindryczny zbiornik wyłożony materiałem ogniotrwałym. Granulki rudy żelaza lub ruda bryłowa ładowane są od góry i opadają grawitacyjnie, napotykając przepływający do góry gaz redukujący w przeciwprądzie, który kończy reakcję redukcji. Projektowanie systemów grzejników opalanych obsługujących ten piec musi uwzględniać stosunek wysokości do średnicy wału, równomierny rozkład gazu w przekroju poprzecznym, kontrolowaną prędkość opadania wsadu oraz niezawodny system dynamicznego uszczelniania w punktach ładowania i rozładowywania.

Nazwa sprzętu	Funkcja	Podstawowe komponenty	Pole aplikacji
Piec DRI	Reaktor bezpośredniej redukcji rudy żelaza	Korpus wału, wykładzina ogniotrwała, system dystrybucji gazu	Instalacje DRI na bazie gazu
Rura Reformatorska Assembly	Reaktor redukcyjny do reformingu gazu	Rury reformera, katalizator, blacha rurowa, rury pigtailowe	Systemy reformowania DRI
Piec do krakingu etylenu	Kraking węglowodorów w wysokiej temperaturze	Rura krakingowa, sekcja promieniująca, sekcja konwekcyjna	Zakłady petrochemiczne etylenu
Reformator wytwarzania wodoru	Reforming parowy gazu ziemnego w celu uzyskania wodoru	Rury reformera, palniki, odzysk ciepła odpadowego	Rafinacja i chemiczna produkcja wodoru

Wiele z tych systemów ma tę samą logikę inżynieryjną, co grzejnik opalany dla rafinerii ropy naftowej i grzejnik opalany dla przemysłu petrochemicznego, ponieważ wszystkie trzy opierają się na sekcji promieniującej, sekcji konwekcyjnej i precyzyjnym EPC do koordynacji poziomu pieca do krakingu etylenu pomiędzy konstrukcją korpusu pieca, metalurgią rur i układem palnika. Kompletna realizacja projektu, od projektu procesu poprzez instalację i uruchomienie, sprawia, że połączone ze sobą części pieca działają jako jeden niezawodny system.

Zielona transformacja i trendy inżynieryjne w branży DRI

Globalny przemysł DRI zmierza w kierunku działalności niskoemisyjnej. Konwencjonalny DRI na bazie gazu ziemnego już powoduje znacznie niższą emisję CO2 w porównaniu z metodą wielkopiecową, a technologia DRI oparta w 100% na zielonym wodorze jako czynniku redukującym jest postrzegana jako wiodąca droga dekarbonizacji sektora stalowego. Wiodący licencjodawcy procesów opracowali konfiguracje instalacji umożliwiające elastyczne przełączanie między gazem ziemnym, wodorem i gazem syntezowym jako reduktorami, pozostawiając otwarte drzwi dla pełnego przejścia na redukcję w oparciu o wodoro bez przebudowy samego pieca szybowego.

Elastyczność skali zakładu to druga zaleta metody DRI. Podczas gdy połączenie wielkiego pieca i zasadowego pieca tlenowego zazwyczaj wymaga rocznej produkcji w pobliżu 2 milionów ton, aby zachować ekonomiczność, instalacja DRI w połączeniu z elektrycznym piecem łukowym może rozpocząć pracę już od 0,5 miliona ton rocznie. Czyni to branżę DRI szczególnie praktyczną dla regionów o rozproszonych zasobach rud żelaza lub ograniczonych dostawach gazu ziemnego i wodoru, wspierając minihuty stali przy znacznie mniejszej skali kapitałowej.

Często zadawane pytania

Jakie materiały są zwykle używane do produkcji rur DRI Reformer Tubes

Rury do reformingu DRI są zwykle produkowane z żaroodpornych stopów o wysokiej zawartości niklu i chromu, takich jak gatunki HP i HK, przy użyciu technologii odlewania odśrodkowego, co pozwala im wytrzymać temperatury robocze powyżej 900°C i stałe wewnętrzne ciśnienie gazu.

Co odróżnia piec DRI od konwencjonalnego pieca opalanego

Piec DRI to reaktor szybowy zbudowany specjalnie do bezpośredniej redukcji rudy żelaza, charakteryzujący się przeciwprądowym kontaktem gaz-ciało stałe, dynamicznym systemem uszczelniającym i wykładziną ogniotrwałą. Różni się on zasadniczo od konwencjonalnego grzejnika opalanego zarówno zasadą procesu, jak i konstrukcją.

Jaki jest typowy skład gazu redukującego w procesach DRI na bazie gazu

Gaz redukcyjny w procesach DRI na bazie gazu zazwyczaj składa się z około 55 procent wodoru i 36 procent tlenku węgla, przy stosunku H2 do CO bliskim 1,5, wytwarzanego w wyniku reformingu katalitycznego gazu ziemnego w rurach reformera.

Jakie są główne formy produktu DRI

DRI jest produkowany w trzech głównych postaciach: zimny DRI, gorący DRI i gorące brykietowane żelazo. Gorące brykietowane żelazo wytwarza się poprzez sprasowanie gorącego DRI w gęste brykiety w celu bezpieczniejszego przechowywania i transportu.

Jaka jest typowa żywotność rury reformera

W normalnych warunkach pracy rura do reformingu zwykle wytrzymuje około 8 do 12 lat, w zależności od temperatury roboczej, wahań ciśnienia, częstotliwości wymiany katalizatora i konkretnego użytego gatunku stopu.

Jakie korzyści dla środowiska oferuje proces DRI w porównaniu z produkcją stali w wielkim piecu?

Proces DRI zużywa mniej więcej połowę energii w wielkim piecu i generuje znacznie niższą emisję CO2. W połączeniu ze 100-procentowym wodorem jako środkiem redukującym można osiągnąć niemal zerową emisję dwutlenku węgla, co czyni go główną drogą dekarbonizacji przemysłu stalowego.