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.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»