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) Rysunek 3.1: Metody produkcji stali surowej - [Ullmann, 1994] 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. Stwierdzono, 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 handlową. Dlatego też te procesy nie zostały opisane w niniejszym rozdziale, ale zostaną wspomniane w rozdziale zatytułowanym Alternatywne technologie produkcji żelaza. 3.2 Zintegrowane huty Z 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 emisji masy) dla każdego etapu przebiegu procesu. Główną jednostką operacyjną w zintegrowanej hucie jest wielki piec, gdzie następuje wstępna redukcja tlenków rud, w wyniku której otrzymuje się ciekłe żelazo, zwane surówką. Nowoczesne wielkie piece o wysokiej wydajności wymagają fizycznego i metalurgicznego przygotowania wsadu. Występują dwa rodzaje zakładów przygotowania rudy: spiekalnie i grudkownie. Pelety są prawie zawsze wykonywane z jednej określonej rudy żelaza lub koncentratu (patrz rysunek 2.1) w kopalni i w takiej formie 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 drobnej rudy żelaza, pozostałości i dodatków. Głównymi czynnikami redukującymi 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, dostarczane przez wtryskiwanie oleju, wdmuchiwanie gazu ziemnego i (w niektórych przypadkach) tworzyw sztucznych. Gorący dmuch dostarcza tlenu potrzebnego do powstania tlenku węgla (CO), który jest podstawowym czynnikiem redukującym dla tlenków żelaza. Rysunek 3.3: Schemet przebiegu procesu zintegrowanej huty - [Brytyjski Instytut Public Relations (UK IPR) 2/1, 1994]
(grudkownia nie jest pokazana, ponieważ tylko jedna zintegrowana huta w Europie ją posiada) Wielki piec jest zasypywany od góry wsadem składającym się z naprzemiennie układanych warstw koksu, mieszanki spieku i/lub pelet, rudy kawałkowej i topników. Żelazo w piecu poddane 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, peletyzacji lub jest spuszczany do dołów żużlowych. Granulki żużla lub pelety 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. Odsiarczanie surówki przed procesem konwertorowym oraz rafinacja stali w kadzi (obróbka pozapiecowa) są ogólnie stosowane przy produkcji stali o wymaganej jakości. Z zasadowego konwertora tlenowego, ciekła stal 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 produkcyjnych /zespołów w kategoriach energii, produktów ubocznych/pozostałości, powietrza i wody. Przegląd procesu na rysunku 3.3 przedstawia różne jednostki produkcyjne zintegrowanej huty. Poszczególne jednostki połączone są zarówno w przypadku przepływów produktów, jak i w przypadku wewnętrznych przepływów pozostałości (zendry 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.). Te współzależności zostały wprowadzone, aby zminimalizować emisję, zoptymalizować zdolność produkcyjną i zredukować koszty. 3.2.2.1 Energia Współzależność energii jest najbardziej złożoną z wymienionych współzależności. Rysunek 3.4 przedstawia przykład wejściowych i wyjściowych przepływów każdego z rodzajów energii oraz wewnętrzny przepływ energii w zintegrowanej hucie. Węgiel oraz zakupiony od zewnętrznego dostawcy koks są dominującymi źródłami pobieranej energii. Również energia elektryczna, gaz ziemny, olej i (w pewnych przypadkach) tworzywa sztuczne stanowią źródła pobieranej energii. Gaz koksowniczy, gaz wielkopiecowy oraz gaz konwertorowy są stosowane dla wielu celów (podgrzewanie baterii koksowniczych, ogrzewanie nagrzewnic gorącego dmuchu, zapłon wsadu spiekowego, ogrzewanie pieców do nagrzewania wsadu walcowniczego itp.). Para z turbin rozprężnych napędzanych gazem gardzielowym lub z zasadowych konwertorów tlenowych jest również wykorzystywana w różnych procesach.
Gaz koksowniczy i gaz wielkopiecowy są odzyskiwane i wykorzystywane we wszystkich zintegrowanych hutach. Jednakże nie dotyczy to przypadku gazu konwertorowego lub odzysku pary gdy gaz gardzielowy napędza turbinę rozprężną. Odzysk pary jest zależny od ciśnienia gazu gardzielowego, od warunków roboczych zasadowego konwertora tlenowego i użyteczności gazu konwertorowego. Rysunek 3.5 przedstawia szczegółowy opis ilościowego rozkładu różnego rodzaju energii w zintegrowanej hucie. Wszystkie dane na tym rysunku odnoszą się do całkowitej pobranej energii, łącznie z zewnętrznymi źródłami energii. Około 88% importowanej energii otrzymuje się ostatecznie z węgla, z którego 83% jest przetwarzane na koks. Wielkie piece zużywają około 60% całkowitego zapotrzebowania huty na energię, w następnej kolejności są walcownie (25%), spiekalnie (około 9%) i piece koksownicze (około 7%). Rysunek 3.4: Przykład przepływu wejściowego, wyjściowego i wewnętrznego w nowoczesnej zintegrowanej hucie z układem wykorzystania energii - [Joksch, 1998].
Rysunek 3.5: Typowy rozkład zapotrzebowania na energię w zintegrowanej hucie na tonę stali surowej - [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 żużla oraz recykling większości pozostałości na spiekalnię, która może być uznana za komorę fermentacyjną zintegrowanej huty. Obok samego procesu spiekania, spiekalnia stanowi zatem ten 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 miałki pył pochodzący z oczyszczania gazu wielkopiecowego, gruz, miałki 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 Gospodarowanie wodą 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 smug dymu z chłodni kominowych, co pozwala uniknąć dalszego recyklingu wody chłodzącej. Rysunek 3.7 przedstawia model gospodarki wodnej na przykładzie procesu 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 3 /t stali. W miejscach o bardzo małej dostępności świeżej wody zachodzi potrzeba oszczędzania wody w jak największym zakresie. W takich przypadkach zużycie jednostkowe wody może zostać ograniczone do mniej niż 10 m 3 /t stali, a czasami do mniej niż 5 m 3 /t stali. Wzajemne zależności są wtedy znacznie silniejsze.
Rysunek 3.7: Przykład gospodarki wodnej w zintegrowanej hucie usytuowanej w miejscu o dużej dostępności wody.