我國煤基直接還原煉鐵工藝發(fā)展概述
2011-04-07
作者：秦潔, 薛遜(攀鋼集團(tuán)研究院)
摘要:對我國目前主要應(yīng)用的直接還原工藝—回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐以及新發(fā)展的直接還原技術(shù)做了簡要的介紹,分析了各種工藝的優(yōu)缺點;針對釩鈦磁鐵礦冶煉,攀鋼采取了轉(zhuǎn)底爐—電爐聯(lián)合使用的直接還原工藝,并新建一條年處理能力10萬t釩鈦礦的生產(chǎn)試驗線.
關(guān)鍵詞:直接還原;轉(zhuǎn)底爐;回轉(zhuǎn)窯;隧道窯
0 引言
直接還原法是以氣體燃料、液體燃料或非焦煤為能源,在鐵礦石(或含鐵團(tuán)塊)軟化溫度以下進(jìn)行還原得到金屬鐵的方法.其產(chǎn)品呈多孔低密度海綿狀結(jié)構(gòu),被稱為直接還原鐵(DRI)或海綿鐵.
直接還原實現(xiàn)了無焦煉鐵,比高爐煉鐵碳耗低、CO2排放少,有利于節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境.海綿鐵雜質(zhì)成分低,是冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的原料,也可作為高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、鑄鐵、鐵合金、粉末冶金的原料,有色冶金的置換劑、水處理的脫氧劑等,應(yīng)用范圍廣、需求量大[1].2008年我國直接還原鐵消費量為260 萬t,但產(chǎn)量僅為60多萬噸,遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)需求.隨著我國電爐煉鋼規(guī)模的不斷擴(kuò)大,廢鋼價格不斷攀升,直接還原鐵供不應(yīng)求,市場潛力巨大,因此,在我國因地制宜發(fā)展直接還原工藝勢在必行.
直接還原按照還原劑的不同分為氣基還原和煤基還原兩大類,氣基還原主要包括Midrex法和HYL—Ⅲ法,具有生產(chǎn)規(guī)模大、成本低、環(huán)境影響小等優(yōu)點[2].煤基直接還原包括回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法等,與氣基還原相比,生產(chǎn)規(guī)模較小、產(chǎn)量較低.雖然氣基直接還原工藝占據(jù)了大部分的直接還原生產(chǎn)能力,但其需用天然氣做燃料.在我國,由于天然氣相對缺乏,使氣基發(fā)展受到限制,而我國的煤炭儲量卻較為豐富,這一資源條件決定了現(xiàn)階段我國以煤基直接還原法為主,因此,深入研討煤基直接還原的生產(chǎn)工藝對我國的直接還原工業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義.
1 直接還原工藝簡介
1.1 回轉(zhuǎn)窯
回轉(zhuǎn)窯直接還原主要有三種工藝方案,一步法:精礦配加粘結(jié)劑制成生球鋪布在移動的鏈篦機(jī)上,利用回轉(zhuǎn)窯高溫廢氣進(jìn)行干燥預(yù)熱后直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)DRI,所有工序在一條流水線上連續(xù)完成;二步法:先用精礦燒制成氧化球團(tuán)再將其送入回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)DRI,造球和還原分別獨立進(jìn)行,故稱"二步法";冷固球團(tuán)法:與一步法相似,先將精礦配加特殊粘結(jié)劑造球,在較低溫度下(200 ℃)干燥固結(jié),然后送入回轉(zhuǎn)窯還原,省略了高溫焙燒氧化固結(jié)的過程[3].回轉(zhuǎn)窯工藝具有代表性的SL/RN法流程如圖1所示.
鐵礦石、煤粒、熔劑等原料從窯尾加入回轉(zhuǎn)窯中,窯體緩慢旋轉(zhuǎn)使?fàn)t料在升溫和反應(yīng)的同時向出料端移動.窯頭外設(shè)有燒嘴燃燒燃料,形成的廢氣則由窯尾排除.
爐料與爐氣逆向運動,爐料在預(yù)熱段被加熱,使水分蒸發(fā)和石灰石分解,達(dá)到800 ℃后,煤中的固體碳開始還原鐵礦石中的氧化鐵,直到獲得海綿鐵或鐵料,而碳則轉(zhuǎn)變成CO氣體,CO在氧化區(qū)被燃燒成CO2,放出熱量以滿足還原反應(yīng)的要求.回轉(zhuǎn)窯內(nèi)反應(yīng)溫度控制在1 100 ℃以下,經(jīng)8~10 h完成還原反應(yīng)后出窯.產(chǎn)品排出窯后進(jìn)入回轉(zhuǎn)冷卻筒冷卻得到海綿鐵或粒鐵,也可以送電爐直接煉鋼.
與高爐工藝相比較,回轉(zhuǎn)窯工藝設(shè)備簡單,投資少,適用于地方鋼鐵工業(yè),彌補了高爐—轉(zhuǎn)爐工藝的不足,此外,回轉(zhuǎn)窯還適用于復(fù)合礦冶煉,冶金灰塵及各種工業(yè)廢渣的回收利用,減少環(huán)境污染,降低了鋼鐵生產(chǎn)能耗.
同時,回轉(zhuǎn)窯工藝也存在一些缺點,包括窯內(nèi)結(jié)圈、還原溫度低(1 100 ℃以下)、流程長、對塊礦或球團(tuán)礦冷強度要求高、要求使用低硫煤等[4].
我國山東魯中礦山公司通過采取提高冷固燒結(jié)球團(tuán)的冷熱態(tài)強度、加強還原煤的選擇和管理、優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯的送風(fēng)、拋煤、控溫溫度等措施,預(yù)防并降低回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈,取得了較好的收效.
圖1 SL/RN法工藝流程
1.2 隧道窯
隧道窯工藝即將精礦粉、煤粉、石灰石粉,按照一定的比例和裝料方法,分別裝入還原罐中,然后把罐放在罐車上,推入條形隧道窯中或把罐直接放到環(huán)形輪窯中,料罐經(jīng)預(yù)熱到1 150 ℃加熱焙燒和冷卻之后,得到直接還原鐵.目前江蘇永鋼集團(tuán)擁有兩條260 m長煤氣隧道窯,為亞洲最長隧道窯.隧道窯生產(chǎn)海綿鐵工藝流程如圖2所示.
圖2 隧道窯生產(chǎn)海綿鐵工藝流程
煤基隧道窯直接還原工藝具有技術(shù)成熟、作簡單的特點,可因地制宜采用此工藝,利用當(dāng)?shù)匦⌒头稚⒌蔫F礦及煤礦資源優(yōu)勢,發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn),為電爐提供優(yōu)質(zhì)原料.但是,總體上講,我國隧道窯直接還原中存在生產(chǎn)規(guī)模較小、能耗高、污染嚴(yán)重、缺乏穩(wěn)定的原料供應(yīng)渠道等問題[5],所以,提高機(jī)械化程度、改變原料入爐方式、改進(jìn)燃料及其燃燒、增設(shè)余熱回收等成為各廠家不斷努力改進(jìn)工藝的方向.
我國已建成或正在建設(shè)的隧道窯有100多座,約70多個單位規(guī)劃建設(shè)產(chǎn)能5~30 萬t/a的隧道窯直接還原鐵廠,在不斷總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,改進(jìn)現(xiàn)行工藝,開發(fā)出諸如大型隧道窯直接還原、AMR—CBI隧道窯直接還原工藝、寬體球狀海綿鐵隧道窯、L-S快速還原工藝等多種新技術(shù),掀開了隧道窯工藝規(guī)模擴(kuò)大、產(chǎn)能提高、機(jī)械及自動化提升的序幕.
1.3 轉(zhuǎn)底爐
轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原是最近幾十年間發(fā)展起來的煉鐵新技術(shù),代表工藝為Fastmet,它由美國Midrex公司與日本神戶制鋼于20世紀(jì)60年發(fā),是采用環(huán)形轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)直接還原鐵的一種方法.經(jīng)過多年的半工業(yè)性試驗和深入的可行性研究,現(xiàn)已完成工藝作參數(shù)和裝置設(shè)計的優(yōu)化.Fastmelt和ITmk3工藝是在此基礎(chǔ)上增加對直接還原鐵的處理.圖3顯示了這三種以轉(zhuǎn)底爐為主體的直接還原工藝流程.
圖3 轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝流程
煤粉與鐵精粉按比例混勻制成球團(tuán),干燥后以1~3層球鋪放在轉(zhuǎn)底爐床面,隨著爐底的旋轉(zhuǎn),爐料依次經(jīng)過預(yù)熱區(qū)、還原區(qū)和冷卻區(qū).還原區(qū)內(nèi)球團(tuán)被加熱到1 250~1 350 ℃,由于煤粉與鐵氧化物緊密接觸,鐵氧化鐵被碳迅速還原成DRI,成品在800~1 000 ℃左右連續(xù)從轉(zhuǎn)底爐卸出.球團(tuán)礦在爐底停留8~30 min,這取決于原料特性、料層厚度及其他因素,成品可作電爐熱裝爐料或者轉(zhuǎn)爐爐料,也可冷卻或生產(chǎn)熱壓塊(HBI).
Fastmet工藝技術(shù)特點:①在高溫敞焰下加熱實現(xiàn)快速還原,反應(yīng)時間只需10~20 min,生產(chǎn)效率高;②原料來源廣泛,鐵原料方面,除使用高品位粉礦、精礦外,還可用氧化鐵皮、代油鐵泥、煉鋼粉塵、含En、Pb、As等有害雜質(zhì)的鐵礦等;還原劑方面,除煤以外焦末、瀝青均可利用,不必?fù)?dān)心出現(xiàn)結(jié)圈問題;③爐料相對爐底靜止,對爐料強度要求不高;④廢氣中含有大量顯熱,可用作預(yù)熱空氣、干燥原料等[6].
Fastmelt工藝流程基本與Fastmet一致,只是在后續(xù)添加一個熔爐來生產(chǎn)高質(zhì)量的液態(tài)鐵水.Itmk3工藝是使金屬化球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐中還原時熔化,生成鐵塊(Nuggets),同時脈石也熔化,形成渣鐵分離.
當(dāng)然轉(zhuǎn)底爐也存在著設(shè)備復(fù)雜、爐內(nèi)氣氛難控制、傳熱效率低以及對還原劑硫含量要求嚴(yán)格的缺點.就目前轉(zhuǎn)底爐工藝開發(fā)的水平和規(guī)模而論,與高爐還有較大差距,但仍存在發(fā)展的廣闊空間,天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)已興建一條100萬t級Fastmet生產(chǎn)線,建成目前世界最大的轉(zhuǎn)底爐.
另外,用轉(zhuǎn)底爐可處理一些特殊鐵礦,如含鋅、鉛、砷等有害雜質(zhì),或含鎳、釩、鈦等有用元素,均可利用轉(zhuǎn)底爐的工藝優(yōu)勢,或高溫?fù)]發(fā),或選擇性還原,配合后續(xù)工藝,實現(xiàn)資源綜合利用.馬鋼塵泥脫鋅轉(zhuǎn)底爐工程項目于2008年5月開工建設(shè),2009年7月6日正式竣工投產(chǎn),建成了整套轉(zhuǎn)底爐(RHF)脫鋅工藝技術(shù)裝置,不僅解決了含鋅塵泥循環(huán)利用的后顧之憂,而且將綜合利用技術(shù)上升到高品質(zhì)資源化水平.
1.4 其他新工藝
1.4.1 PF法煤基豎爐直接還原工藝
中冶集團(tuán)北京冶金設(shè)備研究設(shè)計總院,結(jié)合國內(nèi)情況創(chuàng)新發(fā)明了PF法豎爐直接還原工藝.PF法是在吸收K-M法外熱式豎爐煤基直接還原工藝的經(jīng)驗基礎(chǔ)上,設(shè)計的以一種中國特色的罐式還原爐為主反應(yīng)器的直接還原法.這種工藝技術(shù)可靠,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在各種煤基直接還原工藝中屬先進(jìn)水平.PF法直接還原工藝流程如圖4所示.
圖4 PF法直接還原工藝流程
PF法直接還原工藝主要特點[1]:
1)主體設(shè)備選用外熱式豎爐,預(yù)熱、還原、冷卻三段根據(jù)不同的作用和溫度選用不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu),便于傳熱和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行,提高熱效率和設(shè)備壽命.
2)原燃料適用性強,對精礦、還原劑和燃料沒有特殊要求.
3)采用外配碳工藝,還原劑適當(dāng)過量,擴(kuò)大了煤的選用范圍,造球工藝也因不定量配入煤粉而簡化,球團(tuán)強度較高,DRI質(zhì)量較好.
4)多個反應(yīng)罐可并列組成任意規(guī)模的還原設(shè)備,設(shè)計和組織生產(chǎn)靈活.
1.4.2 低溫快速還原新工藝
2004年鋼鐵研究總院提出了低溫快速冶金新工藝.新工藝?yán)眉{米晶冶金技術(shù)的特點將鐵礦的還原溫度降低到700 ℃以下.新流程分為氣基和煤基兩種方法,工藝流程如圖5、圖6所示.
圖5 煤基低溫快速還原新工藝
圖6 氣基低溫快速還原新工藝
煤基法使用煤粉為還原劑,在700℃左右快速還原鐵精礦粉;氣基法使用還原性氣體還原鐵精礦粉,還原溫度可低于600℃.新工藝具有能耗低、環(huán)境友好等特點,省去了燒結(jié)或造球工藝,緩解了鋼鐵行業(yè)對焦煤的依賴,符合我國國情[7].
2 攀鋼現(xiàn)狀
釩鈦磁鐵礦是攀西地區(qū)的特色資源,與普通礦相比,釩鈦礦直接還原溫度較高、還原時間較長,還原過程產(chǎn)生特有的膨脹粉化現(xiàn)象,因此,存在豎爐結(jié)瘤、流化床失流和黏結(jié)、回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈等技術(shù)難題.高爐流程冶煉釩鈦礦,只回收了鐵和釩,鈦進(jìn)入高爐渣沒有回收,造成鈦資源的大量流失.
2005年以來,攀鋼科研人員在充分吸收、借鑒新流程及相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,通過大量的試驗研究,針對釩鈦磁鐵礦特點,提出并驗證了釩鈦磁鐵礦"轉(zhuǎn)底爐直接還原—電爐深還原—含釩鐵水提釩—含鈦爐渣提鈦"工藝路線,徹底打通了釩鈦礦資源綜合利用新工藝流程,穩(wěn)定獲得了質(zhì)量滿足要求的低碳生鐵、達(dá)到GB3283-87要求的片狀V2O5和PTA121質(zhì)量要求的鈦白產(chǎn)品.
依托該研究成果,攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院于2008年5月4日正式啟動了攀鋼10 萬t/a釩鈦礦資源綜合利用新工藝中試線工程項目,新建一條轉(zhuǎn)底爐—熔分電爐聯(lián)合使用,年處理能力10萬t釩鈦礦的試驗生產(chǎn)線,為更深入地研究實踐,實現(xiàn)轉(zhuǎn)底爐處理釩鈦礦的規(guī)模化生產(chǎn)提供了廣闊的平臺.中試線工藝流程如圖7所示.
本流程采用硫含量較低的白馬鐵精礦,還原劑采用無煙煤煤粉,粘結(jié)劑為有機(jī)粘結(jié)劑,原料混合后經(jīng)高壓壓球機(jī)壓球,生球烘干后進(jìn)入轉(zhuǎn)底爐系統(tǒng).球團(tuán)在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)停留10~30 min后出料,金屬化球團(tuán)直接熱裝進(jìn)入熔分電爐,在一定溫度下還原后,產(chǎn)出含釩鐵水及含鈦爐渣.繼續(xù)對鐵水進(jìn)行脫硫、提釩后,得到半鋼、脫硫渣及釩渣,半鋼進(jìn)入鑄鐵機(jī)鑄鐵,生產(chǎn)出鑄鐵塊.鈦渣制取鈦白,實驗室條件下鈦回收率達(dá)到80%以上;釩渣制取釩氧化物(V2O5),實驗室條件下,釩回收率達(dá)到65%以上.
與高爐流程相比,轉(zhuǎn)底爐流程采用100%釩鈦礦冶煉,克服了高爐流程必須配加普通礦的不足,在當(dāng)前鐵資源緊張的形勢下,有助于充分發(fā)揮攀西地區(qū)資源優(yōu)勢,拉動區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展.此外,轉(zhuǎn)底爐流程的鐵精礦不需燒結(jié)處理,不使用焦炭,從根本上避免了燒結(jié)煙氣脫硫、焦煤資源采購困難以及環(huán)保壓力大等問題.
3 結(jié)語
圖7 資源綜合利用中試線工藝流程
煤炭資源總量豐富、焦煤短缺,鐵礦資源儲量大、富礦少、貧礦和共生礦多是中國鋼鐵工業(yè)面臨的現(xiàn)實狀況.這種能源、資源結(jié)構(gòu)給煤基直接還原法生產(chǎn)海綿鐵的發(fā)展提供了機(jī)遇.
轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)由于在生產(chǎn)率、規(guī)模化、投資費用、單位成本等方面都占有明顯的優(yōu)勢,可作為發(fā)展直接還原技術(shù)的首選工藝.
鑒于轉(zhuǎn)底爐處理釩鈦磁鐵礦技術(shù)尚屬世界首創(chuàng),并無較多的經(jīng)驗借鑒,因此要大力開展針對釩鈦磁鐵礦直接還原的基礎(chǔ)研究工作,在實踐中借鑒各種直接還原方法已取得的成果,開拓創(chuàng)新,開創(chuàng)釩鈦礦直接還原新紀(jì)元.
參考文獻(xiàn)
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來源：攀枝花鋼鐵研究院網(wǎng)站
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