工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐工藝的研究進(jìn)展

工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐工藝的研究進(jìn)展

1高爐其他預(yù)處理在鋼鐵生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生各種含糊量低的鐵礦，可以回收和回收。高含糊量的不能使用。否則，將影響礦山和高爐的操作，因此必須進(jìn)行額外處理。近來年,美國(guó)、日本、中國(guó)和韓國(guó)部分鋼鐵企業(yè)采用轉(zhuǎn)底爐技術(shù)來處理高鋅含鐵塵泥。轉(zhuǎn)底爐工藝屬于非高爐煉鐵范疇,有很多種,其中已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的有Fastmet、Inmetco、DryIron和ITmk3等工藝。本文在介紹這些工藝運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)上,對(duì)轉(zhuǎn)底爐的工藝特點(diǎn)、局限性及將來的發(fā)展進(jìn)行了評(píng)述。2fasmet、inmecto和itmk3工藝的主要特點(diǎn)工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)底爐工藝是Fastmet,其次是Inmetco工藝,ITmk3和DryIron工藝的工業(yè)化爐較少。表1簡(jiǎn)要概括了已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的轉(zhuǎn)底爐工藝及其特點(diǎn)。Fasmet、Inmetco和ITmk3工藝的流程和設(shè)備配置基本相似,但I(xiàn)Tmk3與Fasmet和Inmetco工藝的還原溫度以及DRI產(chǎn)品質(zhì)量有很大不同,而Fasmet與Inmetco工藝只是細(xì)微處有區(qū)別,如爐溫分布、燒嘴形式、高溫廢氣熱量利用等。DryIron工藝的最大特點(diǎn)是焦粉或煤粉與鐵礦粉或者含鐵固廢混合后直接壓制成塊,不使用粘結(jié)劑,而且這種含碳?jí)簤K在轉(zhuǎn)底爐單層裝料。3國(guó)內(nèi)外工業(yè)廢物處理3.1日本鋼鐵公司轉(zhuǎn)底爐對(duì)高鋅為固廢的回收利用日本由于環(huán)境制度非常嚴(yán)格,所以從2000年開始,日本鋼鐵公司相繼建起了轉(zhuǎn)底爐來處理高鋅含鐵固廢,如表2所示。新日鐵轉(zhuǎn)底爐使用天然氣作燃?xì)?JFE轉(zhuǎn)底爐使用焦?fàn)t煤氣作燃?xì)狻?1)轉(zhuǎn)底爐還原試驗(yàn)神戶鋼鐵公司加古川的Fasmet爐作為示范爐生產(chǎn)時(shí),處理的含鐵含鋅粉塵來自鋼廠,轉(zhuǎn)底爐還原溫度為1300～1350℃,還原時(shí)間為12min。表3為當(dāng)時(shí)所用含碳球團(tuán)以及所產(chǎn)DRI的化學(xué)成分和鋅含量;DRI金屬化率(MFe/TFe)超過了90%,脫鋅率超過90%;回收粉塵中鋅含量為44.70%。(2)dri水處理新日鐵廣廠1號(hào)Fasmet爐從2000年4月開始連續(xù)運(yùn)行,至2000年7月,完成設(shè)備性能測(cè)試并開始正常商業(yè)運(yùn)行,之后于2000年8月,設(shè)備作業(yè)率曾達(dá)到90%以上。該爐子在生產(chǎn)率為100kg/(m2·h)時(shí),DRI金屬化率達(dá)91.9%,脫鋅率為94.0%;轉(zhuǎn)底爐布袋過濾器回收的粉塵含鋅量約為63.4%(其中78.9%是氧化鋅),鐵含量小于1%,是煉鋅廠很寶貴的原料。(3)廢水的預(yù)處理新日鐵光廠生產(chǎn)不銹鋼,使用DryIron轉(zhuǎn)底爐來處理電爐粉塵、酸洗沉渣和軋鋼氧化鐵皮等固體廢料,在脫鋅和回收鐵的同時(shí),還回收了廢料中的鎳、鉻等合金成分。并根據(jù)這些廢料含水量大、含碳很少的特點(diǎn),對(duì)工藝作了適當(dāng)改進(jìn),即對(duì)廢料先干燥脫水,再配入還原用焦粉,然后壓制成為較易還原的橢圓形塊。轉(zhuǎn)底爐還原溫度為1300℃,還原時(shí)間15min,DRI產(chǎn)品用于電爐和AOD爐。自投產(chǎn)以來,作業(yè)率保持在80%左右,通過控制配料使DRI的金屬化率為70%～80%,同時(shí)回收鎳和鉻,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。(4)還原時(shí)間及dri金屬化率君津廠2座Inmetco轉(zhuǎn)底爐的冶煉溫度為1250～1300℃,還原時(shí)間分別為10～20min和15～30min;生球處理能力設(shè)計(jì)為23t/h,實(shí)際運(yùn)行時(shí)達(dá)到25t/h;DRI金屬化率設(shè)計(jì)為70%,實(shí)際運(yùn)行時(shí)達(dá)到75%～85%;脫鋅率設(shè)計(jì)值90%,實(shí)際可達(dá)92%。(5)明尼蘇達(dá)產(chǎn)磁鐵礦SteelDynamicsInc(鋼動(dòng)力公司)于2009年第4季度在美國(guó)的明尼蘇達(dá)Hoyt湖投產(chǎn)了世界上第一座產(chǎn)能為50萬t/a的ITmk3商業(yè)廠,使用當(dāng)?shù)氐蔫F燧巖(屬于磁鐵礦)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI。2011年上半年,設(shè)備作業(yè)率為85%,生產(chǎn)率80%,主要原因是煤傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。3.2川龍?jiān)椤⒃u(píng)論員、沙鋼、鐵鋼的轉(zhuǎn)底爐我國(guó)工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐中,以綜合利用復(fù)合礦為目的的有四川龍蟒、攀枝花和日照的轉(zhuǎn)底爐;以處理高鋅含鐵塵泥為目的的有馬鋼和沙鋼的轉(zhuǎn)底爐;以生產(chǎn)預(yù)還原爐料為目的的有山西翼城、萊鋼和天津榮程等廠的轉(zhuǎn)底爐。(1)煙氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量日照鋼鐵有2座國(guó)內(nèi)自行研發(fā)設(shè)計(jì)的的轉(zhuǎn)底爐,于2010年5月投產(chǎn),產(chǎn)能20萬t/a。投產(chǎn)后,原料壓球系統(tǒng)、螺旋排料機(jī)和煙氣系統(tǒng)存在的問題相繼暴露出來。經(jīng)過不斷改進(jìn),從2010年12月到2011年4月,產(chǎn)量基本穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值的50%左右,作業(yè)率低于80%,DRI金屬化率基本穩(wěn)定在50%～80%;產(chǎn)能和作業(yè)率不高的主要原因是煙氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷。2011年5月對(duì)轉(zhuǎn)底爐煙氣系統(tǒng)拆除改造后,爐子作業(yè)率和DRI金屬化率分別達(dá)到90%和80%左右。生產(chǎn)的DRI已作為冷卻劑用于轉(zhuǎn)爐(約20～30kg/t),因用量較少,所以DRI質(zhì)量對(duì)煉鋼消耗、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)成本和鋼水質(zhì)量的影響不是很明顯。轉(zhuǎn)底爐回收的含鋅粉塵中,氧化鋅含量呈下降趨勢(shì),降低了其商業(yè)利用價(jià)值。(2)爐熔分裝置四川龍蟒集團(tuán)建設(shè)了1座7萬t/a的轉(zhuǎn)底爐(處理釩鈦磁鐵礦)與電爐熔分相結(jié)合的工業(yè)試驗(yàn)性生產(chǎn)線,目的是回收鈦、釩、鉻、鐵,電爐熔分裝置用于生產(chǎn)鐵水和富鈦渣。該轉(zhuǎn)底爐于2007年2月開始運(yùn)行,曾因燒嘴、爐底盤、水封、加料機(jī)、爐頂、煙道、電爐蓋、爐殼等處發(fā)生事故而多次停爐維修,直至2010年10月,才開始滿負(fù)荷作業(yè)。在轉(zhuǎn)底爐和電爐運(yùn)行期間,DRI金屬化率穩(wěn)定在70%～80%,電爐富鈦渣TiO2品位達(dá)50%～52%,比當(dāng)?shù)剽伨VTiO2品位高出4～6個(gè)百分點(diǎn),富鈦渣的商業(yè)價(jià)值已接近或等同于鈦精礦。(3)高鋅塵泥轉(zhuǎn)底爐試生產(chǎn)馬鞍山鋼鐵公司引進(jìn)新日鐵君津廠的技術(shù),于2009年7月建成投產(chǎn)了1座處理能力為20萬t/a的轉(zhuǎn)底爐,用于處理高鋅塵泥。在試生產(chǎn)過程中,污泥烘干系統(tǒng)、離心機(jī)、潤(rùn)磨機(jī)、造球盤等相繼出現(xiàn)問題,經(jīng)過不斷的工藝優(yōu)化和技術(shù)改造,2010年1月作業(yè)率曾達(dá)95%。其生產(chǎn)的DRI的金屬化率約為80%,用作高爐爐料。4配套裝置問題轉(zhuǎn)底爐工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中出現(xiàn)了許多問題,有的是工藝本身的局限性問題,有的是配套裝置產(chǎn)生的問題。概括來說,Fastmet、Inmetco和DryIron工藝本身的局限性問題較多,ITmk3的工藝局限性問題相對(duì)較少。4.1制作優(yōu)質(zhì)的煤調(diào)濕設(shè)備(1)Fastmet、Inmetco和DryIron工藝的DRI產(chǎn)品中脈石和S含量較高,TFe和DRI金屬化率一般較低,這是由其工藝特點(diǎn)決定的。Fastmet和Inmetco工藝采用內(nèi)配煤粉作還原劑,加粘結(jié)劑造生球,鐵礦粉品位或固廢等鐵料的含鐵量、粘結(jié)劑用量及煤中所含的灰分和S等有害元素將直接影響DRI的品質(zhì);DryIron與Fastmet和Inmetco相比,制作入爐團(tuán)塊時(shí)雖不用粘結(jié)劑,但鐵料和煤對(duì)DRI的影響是一樣的。要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI,需要高品位的鐵礦粉或含鐵量高的固廢和低灰分、低S的煤作還原劑才行。北京科技大學(xué)進(jìn)行的理論計(jì)算表明,要想得到TFe和金屬化率都達(dá)到90%的DRI產(chǎn)品,磁鐵礦的TFe應(yīng)達(dá)69.5%、赤鐵礦應(yīng)為68.5%,而煤的灰分應(yīng)小于4%,S應(yīng)低于0.6%。如果用普通高爐用鐵礦(品位64%左右)和普通煤(灰分約12%),那么,由轉(zhuǎn)底爐得到的DRI產(chǎn)品的TFe只有78%,金屬化率約為85%。另外,由于采用敞焰加熱,還原的鐵可能發(fā)生再氧化,只有抑制這一現(xiàn)象才能獲得較高的金屬化率。所以,Fastmet、Inmetco和DryIron工藝的DRI產(chǎn)品大都用作高爐原料,也有用作轉(zhuǎn)爐和電爐爐料的,但用量都很少,以不至于影響煉鋼生產(chǎn)。(2)轉(zhuǎn)底爐工藝普遍存在能耗高、生產(chǎn)率低的問題。據(jù)報(bào)道,轉(zhuǎn)底爐的煤耗約為500kg/t。由于轉(zhuǎn)底爐主要依靠輻射傳熱,爐底只能鋪1～3層球團(tuán),故影響其生產(chǎn)率提高。4.2轉(zhuǎn)底爐粉碎回收(1)配套設(shè)備故障率高。轉(zhuǎn)底爐裝置類似于軋鋼環(huán)形加熱爐,機(jī)械設(shè)備復(fù)雜,高溫臺(tái)車、熱出料機(jī)及熱篩分設(shè)備故障率高,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。(2)轉(zhuǎn)底爐粉塵的回收處理仍是個(gè)問題。日本研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)底爐原料中的鋅含量和氯含量對(duì)回收粉塵的鋅含量影響很大。在處理鋅含量為20%、氯含量為2%～4%的高鋅含鐵粉塵時(shí)(如電爐粉塵),回收粉塵中鋅含量為60%左右;如果轉(zhuǎn)底爐原料中鋅含量較低,回收粉塵中的鋅含量也會(huì)降低,直接影響其商業(yè)利用價(jià)值。4.3基于端點(diǎn)發(fā)熱限制的開發(fā)技術(shù)4.3.1熔融爐與轉(zhuǎn)爐針對(duì)Fastmet和Inmetco工藝DRI產(chǎn)品中脈石和S含量較高的問題,產(chǎn)生了在其后接一熔融爐,分別能夠生產(chǎn)鐵水的Fastmelt和RedSmelt工藝。熔融爐可以是埋弧爐,也可以是煤基熔化爐。將轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的DRI熱態(tài)輸送至熔融爐,脫S除渣,可生產(chǎn)出與高爐相似的鐵水。神戶曾建了一座Fastmelt中試爐,美國(guó)動(dòng)力鐵公司的這種工藝則實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。4.3.2psh工藝特點(diǎn)為解決轉(zhuǎn)底爐工藝料層薄、生產(chǎn)率低的缺點(diǎn),McMaster大學(xué)提出了PSH(PairedStraightHearthFurnace)工藝。PSH以厚料層(120mm)、高火焰溫度(1600℃)、高能量利用率為基礎(chǔ),可以生產(chǎn)金屬化率達(dá)90%以上的具有高密度和高強(qiáng)度的DRI,能耗比當(dāng)前高爐低30%,生產(chǎn)的DRI可直接用于電爐煉鋼。美國(guó)已把該技術(shù)列為技術(shù)路線圖中的一個(gè)研究項(xiàng)目,并建設(shè)了4.5萬t/a的示范廠,其DRI金屬化率為95%。5其他鋼鐵公司轉(zhuǎn)底爐工藝已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的鋼鐵廠高鋅含鐵固廢處理工藝除了轉(zhuǎn)底爐之外,還有蒂森克虜伯鋼鐵公司使用的OxyCup豎爐工藝,以及德國(guó)杜伊斯堡地區(qū)DK公司的小高爐工藝。5.1oxcup爐爐德國(guó)蒂森克虜伯利用OxyCup豎爐回收高鋅含鐵固廢,該裝置于2004年8月建成投產(chǎn)。把燒結(jié)機(jī)粉塵、高爐污泥、轉(zhuǎn)爐粉塵、軋機(jī)污泥、焦炭渣等含鐵含碳固體廢料混合后,加入粘結(jié)劑制成六邊形型磚,然后送入OxyCup豎爐冶煉。冶煉過程要求溫度為620℃的熱風(fēng)30000m3/h、氧氣3500m3/h左右;產(chǎn)生的爐頂煤氣量大約50000m3/h,熱值約為4300kJ/m3。爐頂煤氣部分用于加熱熱風(fēng),其余的并入鋼鐵廠總煤氣管網(wǎng)。鐵水產(chǎn)量為15～65t/h,渣量為15～30t/h。OxyCup豎爐當(dāng)年投資2100萬歐元,所用爐料除了蒂森克虜伯自己的高鋅含鐵固廢,還外購(gòu)一部分。在生產(chǎn)鐵水的同時(shí),回收一部分高鋅洗滌塔污泥。正常生產(chǎn)中,由高鋅含鐵固廢制成的型磚只是其中一部分爐料(占60%以上),另外還使用一部分其它料,如熔劑、焦炭和廢鋼鐵等。豎爐爐渣可以用作水壩的建筑材料和其他水利工程建材。5.2固體樣品和高爐在德國(guó)的Duisburg-Hochfeld,DK公司利用工作容積為580m3的小高爐處理歐盟的固體廢料,主要冶煉鑄造鐵。轉(zhuǎn)爐泥、高爐瓦斯灰、瓦斯塵泥、軋鋼屑、電池等固體廢料和部分普通鐵礦經(jīng)過燒結(jié)機(jī)處理后,送入高爐冶煉。小高爐入爐焦比為630kg/t,煤比為70kg/t,燃料比在700kg/t以上;煤氣利用率較差,ηCO約為30%;鐵水中S含量為0.1%左右。高爐入爐料鋅負(fù)荷和堿負(fù)荷分別為38kg/t和8.5kg/t,高爐瓦斯泥中鋅含量達(dá)60%以上,可以作為回收鋅的原料。5.3主要的鐵水處理設(shè)備和工藝對(duì)比(1)工藝成熟性和生產(chǎn)穩(wěn)定性:在轉(zhuǎn)底爐、OxyCup和小高爐工藝中,工藝最成熟和生產(chǎn)最穩(wěn)定的當(dāng)屬小高爐。但小高爐也有很大缺點(diǎn),如需要大量高鋅含鐵固廢原料,在我國(guó),原料來源是個(gè)問題;另外國(guó)家現(xiàn)在限制小高爐生產(chǎn),所以不適合發(fā)展小高爐工藝。(2)金屬鐵產(chǎn)品:這三種工藝中,一般轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的是含鐵量和金屬化率不高的DRI,OxyCup和小高爐生產(chǎn)的均是可直接用于煉鋼的鐵水。(3)副產(chǎn)品:三種工藝均產(chǎn)生一定量的富鋅爐塵,而OxyCup和小高爐除此之外,還有爐渣需要處理。(4)還原劑:轉(zhuǎn)底爐所需還原劑只是含碳球團(tuán)中的碳,OxyCup除含碳型磚中的碳外,還需一定量的焦炭,小高爐則主要是焦炭。(5)其它能源:轉(zhuǎn)底爐需要一定量的燃?xì)鈦砑訜?以便使?fàn)t內(nèi)達(dá)到一定溫度要求;OxyCup和小高爐需要一定溫度的熱風(fēng),小高爐的熱風(fēng)溫度比OxyCup高得多,而OxyCup還需要噴吹大量氧氣。(6)投資:考慮全部配套設(shè)備在內(nèi),小高爐因?yàn)樾枰獰Y(jié)廠、煉焦廠和熱風(fēng)爐,噸鐵投資最貴;其次是OxyCup,因?yàn)槠湄Q爐本體投資與轉(zhuǎn)底爐差不多,除此之外還需要投資型磚技術(shù)、壓塊設(shè)施以及制氧設(shè)施;相比來說,轉(zhuǎn)底爐投資最低。綜合對(duì)比上述三種工藝,在鋼鐵廠高鋅含鐵固廢處理方面,轉(zhuǎn)底爐是最佳和最可行的,因?yàn)樗恍枰慕固亢蜔犸L(fēng),不需要像小高爐投資那么大,技術(shù)上也不像OxyCup那樣全部需要引進(jìn)。雖然大多數(shù)轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)的DRI質(zhì)量不如OxyCup和小高爐,但鋼鐵廠內(nèi)可以自行消化。6我國(guó)第一個(gè)也是最先進(jìn)的二級(jí)爐技術(shù)介紹與構(gòu)建6.1fasmelt和resmelt工藝未來轉(zhuǎn)底爐的發(fā)展基本上可有兩種定位。一種是以處理鋼鐵廠高鋅含鐵固廢和難選難燒鐵礦為目的,主要生產(chǎn)高爐用DRI,代表性工藝有Fastmet和Inmetco。這兩種工藝生產(chǎn)的DRI質(zhì)量較差,雖然為應(yīng)對(duì)此問題而開發(fā)了Fasmelt和RedSmelt工藝,并已有商業(yè)化生產(chǎn)廠,但這兩種工藝能耗太高,除了轉(zhuǎn)底爐耗用的煤炭和燃?xì)庵?與轉(zhuǎn)底爐相配套的電弧爐耗電約為500kWh/t鐵水,并不適合我國(guó)國(guó)情。我國(guó)北京科技大學(xué)曾提出了提高DRI質(zhì)量的“破碎-磁選-分離”技術(shù),也曾對(duì)煤基熱風(fēng)熔融爐技術(shù)進(jìn)行過研究,比較適合我國(guó)國(guó)情,但距離商業(yè)化尚遠(yuǎn)。另一種則是以利用普通鐵礦或低級(jí)鐵礦增加產(chǎn)量為目的,主要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI,可直接用于電爐生產(chǎn),也可用作轉(zhuǎn)爐優(yōu)質(zhì)冷卻劑,代