Pierwszy prawdziwy wielki piec pracujący na bazie koksu został uruchomiony w 1735 roku
[Ullmann's, 1994]. Wielki piec pozostaje dotychczas najważniejszym elementem procesu wytwarzania surówki. Technologia ta prawdopodobnie będzie dalej dominowała w produkcji surówki przynajmniej przez następne 20 lat [Lüngen, 1995]. Rysunek 7.1 przedstawia ogólny widok dwóch wielkich pieców.
Wielki piec jest układem zamkniętym, do którego w sposób ciągły przez gardziel pieca ładowane są materiały żelazonośne (kawałkowa ruda żelaza, spiek i/lub pelety), dodatki (materiały żużlotwórcze takie jak kamień wapienny) oraz środki redukujące (koks) za pomocą układu zasypowego, który równocześnie zapobiega ucieczce gazu wielkopiecowego Rysunek 7.2 przedstawia uproszczony schemat wielkiego pieca składający się z pieca, hali lejniczej, nagrzewnic dmuchu wielkopiecowego i układu dwuetapowego oczyszczania gazu wielkopiecowego.
Rysunek 7.2: Uproszczony schemat wielkiego pieca - [UBA Rentz,1996]
Dmuch gorącego powietrza, wzbogacony w tlen i pomocnicze środki redukujące (pył węglowy, ropa, gaz ziemny i w niektórych przypadkach tworzywa sztuczne), jest wdmuchiwany na poziomie dysz, powodując w ten sposób powstanie przeciwprądu gazów redukujących. Dmuch powietrza reaguje ze środkami redukującymi wytwarzając głównie tlenek węgla (CO), który z kolei redukuje tlenki żelaza do żelaza metalicznego. Ciekłe żelazo jest zbierane w garze wielkiego pieca razem z żużlem i oba są odlewane na bazie regularnej. Ciekłą surówka jest transportowana w kadzi mieszalnikowej (torpedo) do stalowni, a żużel jest przetwarzany na kruszywo, granulat lub grudki do budowy dróg i produkcji cementu. Gaz wielkopiecowy (gaz BF) jest zbierany w gardzieli wielkiego pieca. Jest on oczyszczany i rozprowadzany po zakładzie, a także stosowany jako paliwo do ogrzewania lub do produkcji energii elektrycznej.
Istnieją różne środki redukujące. Węgiel/węglowodory w postaci koksu, węgla, ropy, gazu ziemnego, lub obecnie w wielu przypadkach również tworzyw sztucznych, są ogólnie dostępne w wystarczających ilościach po przystępnej cenie. Jednakże wybór między kilkoma środkami redukującymi nie zależy wyłącznie od kosztów. Poza spełnianiem funkcji środka redukującego, koks służy również jako słup nośny dla wsadu w wielkim piecu. Bez takiej nośności, praca wielkiego pieca nie byłaby możliwa.
Aktualnie przetwarzana ruda żelaza zawiera dużą ilość hematytu (Fe2O3) i czasami małe domieszki magnetytu (Fe3O4). W wielkim piecu składniki te są progresywnie redukowane, wytwarzając tlenek żelaza (FeO), a następnie są częściowo redukowane i nawęglane tworząc żelazo w fazie stałej (żelazo gąbczaste). W końcu ładunek żelaza topi się, reakcje dobiegają końca, a ciekła surówka i żużel zbierają się na dnie. Redukujące węgle (C) reagują tworząc CO i CO2. Topniki i dodatki dodaje się, aby obniżyć temperaturę topnienia skały płonnej, polepszyć wchłanianie siarki przez żużel, zapewnić wymaganą jakość ciekłej surówki i umożliwić dalsze przetwarzanie żużlu.
W miarę jak wsad wielkopiecowy przesuwa się grawitacyjnie w dół, wzrasta jego temperatura ułatwiając reakcje redukcji tlenków i tworzenie się żużlu. Wsad (nabój) przechodzi szereg zmian składu, obejmujących następujące etapy:
Tlenek żelaza w naboju jest silnie redukowany (tworząc żelazo gąbczaste i ostatecznie ciekłą surówkę).
Tlen z rudy żelaza reaguje z koksem lub tlenkiem węgla, tworząc w ten sposób tlenek węgla lub dwutlenek węgla, który jest zbierany w gardzieli wielkiego pieca.
Składniki skały płonnej łączą się z topnikami tworząc żużel. Żużel ten jest mieszanką wieloskładnikową krzemianów o niższej gęstości niż ciekła surówka.
Koks służy głównie jako środek redukujący, lecz również jako paliwo. Opuszcza on piec w postaci dwutlenku węgla, tlenku węgla lub w postaci węgla w surówce.
Występujący wodór oddziałuje również jako środek redukujący poprzez reakcje z tlenem, tworząc wodę.
Główne operacje to:
• Ładowanie surowców (wsadu)
• Wytwarzanie gorącego dmuchu
• Proces wielkopiecowy
• Bezpośrednie wdmuchiwanie/wtryskiwanie środków redukujących
• Spustowość
• Przetwarzanie żużlu
Mieszanina materiałów żelazonośnych (kawałkowa ruda żelaza, spieki i/lub pelety) i dodatków (topniki) nazywana jest „nabojem“. Nabój i towarzyszący jej koks są zasypywane do gardzieli pieca przez kubełki skipowe lub przez mechaniczny przenośnik taśmowy. Wchodzi on do pieca przez uszczelniony system zasypowy, który izoluje gazy pieca od atmosfery. System ten jest niezbędny, ponieważ ciśnienie w wielkim piecu przekracza ciśnienie atmosferyczne (0,25-2,5 bara). Podczas, gdy wiele nowych dużych wielkich pieców posiada wysokie ciśnienia w gardzieli (do 2,5 bara), to istnieją także nowoczesne piece pracujące przy ciśnieniach znacznie niższych. Ciśnienia te mogą być na poziomie 0,25 bara, w zależności od wieku pieca i innych ograniczeń, takich jak dostępne ciśnienie dmuchu i ograniczenia wynikającego z rodzaju instalacji oczyszczania gazu.
Uszczelniony system zasypywania może być stożkowy lub bezstożkowy. Podczas zasypywania mogą powstawać emisje pyłu i gazu BF. Na tym etapie procesu usuwanie gazu z gardzieli pieca i połączenie z układem oczyszczania gazu BF może być wykorzystane do kontroli (wielkości) emisji.
Gorący dmuch do pracy wielkiego pieca powstaje dzięki nagrzewnicom dmuchu wielkopiecowego (czasami są one nazywane „nagrzewnicami wielkopiecowymi Cowpera“). Nagrzewnice są instalacjami pomocniczymi stosowanymi do nagrzewania dmuchu. Wysoka temperatura dmuchu odzwierciedla się w redukcji zapotrzebowania na węgiel. Gorący dmuch służy do przekazywania ciepła składnikom stałym naboju, w celu podwyższenia temperatury reakcji. Dmuch dostarcza również tlen niezbędny do zgazyfikowania koksu i transportu gazu, który stykając się z nabojem redukuje tlenki żelaza.
Nagrzewnice pracują cyklicznie. Są one nagrzewane przez spalane gazy (zwykle jest to wzbogacony gaz BF), aż kopuła osiągnie prawidłową temperaturę (około 1100-1500°C); następnie spalany gaz jest odcinany i zimne powietrze z otoczenia jest przedmuchiwane przez nagrzewnicę w odwrotnym kierunku. Zimne powietrze jest nagrzewane przez gorące cegły tworząc w ten sposób gorący dmuch (900-1350°C), który jest kierowany do wielkiego pieca. Proces przebiega do momentu, w którym nagrzewnica nie może dłużej generować odpowiedniej temperatury dmuchu; wtedy ponownie rozpoczyna się początkowy cykl nagrzewania. Czas trwania każdego cyklu zależy od indywidualnych, lokalnych warunków, takich jak: źródło energii, charakterystyka układu i działania konserwacyjne.
Nagrzewnice dmuchu wielkopiecowego można ogólnie podzielić na nagrzewnice z wewnętrzną lub zewnętrzną komorą spalania (rysunek 7.3). Rozróżnienie to jest ważne z punktu widzenia emisji CO (7.2.2.1.1).
Rysunek 7.3: Przekrój poprzeczny nagrzewnic dmuchu wielkopiecowego („Cowpera“) z wewnętrzną i zewnętrzną komorą spalania - [WE Spiek/Wielkie Piece,1995]
Dla każdego dużego pieca potrzebne są trzy lub cztery nagrzewnice dmuchu wielkopiecowego. Emisje do powietrza występują podczas fazy nagrzewania nagrzewnicy.
Puchaczo_o