钢铁制造流程脱硫工艺

.,钢铁制造流程脱硫工艺经济性评价,.,1.1经济性与经济性评价的重要性作为一个企业，追求效益是其生存发展之本。大从生产经营，小至具体子过程的控制，无不以讲求和实现经济性为目标的。实现经济性，就必须首先认真研究影响系统、过程投入产出效能的诸因素以及其变化、相互关联的规律和影响的程度，也就是要进行经济性评价。经济性评价首先是技术层面的。经济性评价是在科学性原则，可行性原则，层次性原则，全面性与重点性相统一，相对独立性等原则的基础上，根据过程投入产出、成本收益特点建立起来的。首先是科学性和层次性原则。分析因素的体系结构、因素的舍取等都要有科学的依据。经济性评价是获得经济性的基础。目标：诸多经济的过程构筑的系统。,1.制造流程的工艺经济性及经济性评价,.,1.制造流程的工艺经济性及经济性评价,具体化的系统目标：提升竞争力采用最高效、最经济、最环保和最好资源利用率的生产方式为客户、为社会提供最好性价比的高质量、高满意度产品。具体化的过程目标：优化的脱硫工艺，成为具有高性价比的、经济的系统子过程。,.,1.制造流程的工艺经济性及经济性评价,1.2经济性是设计出来的对具体的脱硫工艺过程通过过程理论、设备功能、脱硫剂的效果分析，结合产品要求和后续工序的要求，确定脱硫的方式方法，选型设备和选择合适脱硫剂，制定具体的工艺等。从经济性角度而言，是进行了基于目标产出的投入设计，也可以说是进行了脱硫的成本设计。1.3经济性的评价标准-适宜、有竞争力！适宜恰到好处、留有余地、高满意度竞争力独到之处；创新,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,2.1采用低硫含量的原、燃料钢中硫的来源主要是铁水，铁水中硫的来源主要是矿石和焦碳，其次是一些辅料精料入炉，采用低硫原、燃、辅料问题：高价格高成本资源缺乏,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,2.2高炉脱硫通过刻意的调配和控制，使原燃料带入的硫大部分进入高炉渣而脱除。过去用这种方法生产的铁水能够基本上满足炼钢的需要。然而，随着时间的推移，这种情况已在改变：钢中的允许硫含量在不断降低，高炉脱硫的硫含量水平已经远远达不到要求；低硫铁矿石、焦煤及其它炉料相对于需求而言，资源明显不足，价格始终处于高位；,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,采用高炉生产低硫铁水，在操作层面还存在以下一些问题：通过提高炉渣碱度和提高炉缸温度来提高脱硫能力，渣量增大，使焦比（能耗）增加；炉渣粘度增高，高炉生产效率降低；铁水中硅含量增高，给后续炼钢生产增加额外的负担；高温铁水过程温降大，碳损失大，污染严重。,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,2.3炼钢炉内脱硫炼钢整个过程是氧化气氛下完成的，炉内渣钢间的分配比(S)/S仅为2-4，脱硫效率低；高硫铁水的脱硫率也仅可为30%-40%，低硫铁水往往会有一定的增硫；通过石灰的大量加入，提高炉渣碱度，可一定程度地改善脱硫的热力学条件，但同时由于炉渣变稠，脱硫动力学变差，甚至影响其它炉内反应。,.,部分国家炼钢用石灰技术指标,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,2.4铁水预处理脱硫铁水脱硫相对于钢水脱硫有利的因素：含有较高的C、Si、P等元素，提高了铁水中硫的活度系数；铁水中氧含量低，提高渣铁之间硫分配比，脱硫效率高；铁水含氧量低，因而可以使用强脱硫剂强化脱硫而不会造成强烈氧化损失；脱硫过程对最终钢的成分及性能不会产生不利影响。,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,铁水脱硫相对于钢水脱硫的不利因素由于后续炼钢的氧化过程，铁水脱硫后必须进行扒渣，尽可能去除富集硫的浮渣，不可避免地同时携带走一定量的金属铁，产生一定的经济损失和环境污染；由于后续炼钢过程中加入大量冷却剂和熔剂所携带入了硫，而炼钢过程渣钢间硫的分配比却很低（一般（S）/S为2-3），从全过程系统地看，铁水脱硫的高效率，被很大程度地打了折扣；,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,2.5钢水二次精炼脱硫对许多钢种而言，钢水炉外精炼的重要任务之一是脱硫。钢包炉（LF）脱硫的（S）/S可高达200，有较高的脱硫率，但成本高，只能用于钢种要求硫含量很低，脱硫总量不多的场合，是对进一步脱除硫的补充。同时，在精炼脱硫过程中会还原渣中的磷和硅，钢水脱硫还会增氮和增氢，对许多钢种产生不利影响。,.,2.不同含硫量控制方式的特点与比较,2.6产品含硫量控制成本研究表明：钢铁制造流程各工序脱除单位质量硫的成本高低顺序为：钢冶炼（转炉）二次精炼（钢包炉）炼铁（高炉）铁水预处理结论：现代化钢铁制造流程中，都配备有功能完备的铁水炉外预处理（脱硫）手段,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,铁水预处理脱硫主要是铁水的炉外脱硫脱硫原理：使用与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大的元素或化合物（脱硫剂），施以一定的能量以获得反应的动力学条件，将硫化铁中的硫转变为更稳定的、极少溶解或完全不溶于铁液的化合物（高含硫渣），并将其尽可能完全地除净。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.1常用铁水脱硫剂的特点铁水脱硫预处理工艺中主要使用的脱硫剂有：232等及以其为基础的复合脱硫剂。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.123基钠系脱硫剂23有很强的脱硫能力，我国在20世纪50年代就采用洒入高炉出铁沟脱硫的方法；脱硫反应式：（23）S2C（Na2S）3CO由于在1250以上易挥发形成大量白色浓雾，腐蚀性强，污染环境。23分解吸热量大，生成的Na2O进入渣中使渣变稀，不易扒渣，除渣困难；价格相对较高，所以已不单独作为脱硫剂使用，仅用于某些复合脱硫剂的辅助成分。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.22基钙系脱硫剂2(电石)具有很强的脱硫能力，在常用脱硫剂中剂脱硫反应的平衡常数最高（1350）；脱硫反应：（2）+S=(CaS)+2C可以形成稳定的固态脱硫渣，利于扒渣，对延长罐衬寿命有利；,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.22基钙系脱硫剂脱硫剂单耗高、渣量大，不易进行后续处理，对环境造成污染；2极易与空气中的水分反应生成乙炔气体，这种气体易燃易爆，危险性大。对加工、运输、贮存和使用过程中的安全措施要求很高，管理难度大；原料价格高，加工、运输和贮存成本高。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.3CaO基钙系脱硫剂脱硫能力较强，脱硫效率高，脱硫率可高达98%；CaO脱硫反应式为：CaO(S)+S+C(S)=CaS(S)+CO(g)（1）2CaO(S)+2S+Si=2Fe+2CaS(S)+SiO2(S)（2）,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.3CaO基钙系脱硫剂原料来源广泛，价格低廉；易于加工、运输、贮存，使用简便、安全；铁水温度高时，脱硫效率提高，脱硫剂耗量下降，更有利于大型高炉铁水的脱硫；可以形成稳定的固态脱硫渣，利于扒渣，对延长罐衬寿命有利；脱硫剂单耗高、渣量大，不易进行后续处理，对环境造成污染；粉剂易凝聚结块，降低反应界面，不利于喷吹。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.4金属镁（）基脱硫剂金属镁和硫有极高的亲和力，反应区动力学条件非常好，反应迅速而且十分强烈。Mg脱硫反应式为：Mg/(Mg)S（MgS）镁为碱土金属，其熔点与沸点都较低，熔点为651，沸点是1107，在铁水存在的温度下呈气态；金属镁活性很高，易燃易爆，加工、运输和储存安措要求高，作为脱硫剂必须作钝化处理；,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.4金属镁及基脱硫剂脱硫效率高，消耗量少，处理时间短，温度损失少；脱硫过程中Mg蒸发对平稳高效率脱硫有一定影响；利用率随着铁水温度升高或加入深度减少而降低；产物为固态硫化镁，对耐火材料侵蚀较轻；金属镁价格昂贵。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,镁脱硫剂的安全：金属镁粒的着火温度为540650,粒度愈细，着火温度愈低。镁粒与水之间可发生如下反应：Mg(S)+H2O=MgO+H2G=-84100+12.81TCal/mol释放热量：Q1=75.38千卡摩尔Mg(S)+1/2O=MgO(S)G=-143000+25.91TCal/mol释放热量：Q2=143.7千卡摩尔H2+1/2O2=H2O(g)G=-58850+13.12TCal/mol释放热量：Q3=57.8千卡摩尔上述反应释放热量很大。在一定条件下反应也非常激烈。特别是镁粒与水的反应生成H2，H2积累到一定浓度后，很容易引起爆炸。另外空气中镁粉粉尘达到一定浓度后也易发生爆炸。虽然在镁粉生产加工时已经注意到这个问题，但是依然会有过细镁粉产生，因此，必须保证镁粉区域的空气畅通。还有，镁粉与氮气和二氧化碳也能发生反应。水与镁粉之间的化学产生氢气，同时释放热量，在潮湿的环境中，镁能自燃，并有爆炸的危险。镁燃烧后，绝对禁止用水施救，其它一般的火灾施救方法无法奏效。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.5复合脱硫剂为提高脱硫效率和脱硫剂的利用率，改善脱硫过程的控制稳定性和可操作性，以前述的某一种脱硫剂为基础，通过加入部分另一种脱硫剂或其它稳定、促进物质所制成的改良脱硫剂，在实际工业生产被大量采用。,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,3.5复合脱硫剂复合脱硫剂主要类型：Mg基：Mg+CaO；Mg+CaC2；CaO基：CaO+CaF2；CaO+CaF2+Al；CaO+Na2CO3；CaO+CaCO3；CaC2基：CaC2+CaCO3；CaC2+CaO；,.,3.6四种常用脱硫剂效果比较,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,.,3.铁水预处理常用脱硫剂及其特性比较,脱硫剂的选择安全因素环境保护/员工健康成本脱硫能力/效率资源利用率形成硫化物的性状对耐火材料的侵蚀程度对操作影响,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,目前最新的铁水预处理从概念上已经涵盖：高炉低温、低碱度“控硅”出铁沟脱硅铁水包（鱼雷罐）脱硫预处理转炉脱磷的铁水最终脱碳前的全流程的“三脱”协同处理。,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,典型代表流程日本住友金属和歌山制铁所（1999）,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,京唐曹妃甸钢铁公司（2009.05）5000m3高炉敞口325t铁水包（大型铁水包“一包到底”设计）KR法铁水脱硫预处理装置300t铁水脱磷预处理转炉300t炼钢脱碳转炉,典型代表装备配置,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,4.1当前主流铁水预处理脱硫的工艺方法鱼雷罐喷吹法脱硫剂：CaC2基；CaO基；铁水包喷吹法脱硫剂：CaC2基；CaO基；MgCaO；Mg；机械搅拌法脱硫剂：CaO基(CaO+CaF2或Na2CO3）；,.,4.2当前最新建成的铁水脱硫设施工艺、装备分析比较机械搅拌法KR法（CaO基）铁水包喷吹法纯颗粒镁（Mg）喷吹法Mg+CaO复合喷吹或混合喷吹法形式和工艺高度两类分化；同类中脱硫剂趋同化明显全部以铁水包为脱硫反应皿；搅拌法全采用CaO基、喷吹法均使用Mg脱硫剂；均按照全量处理考虑脱硫系统的处理能力,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,4.2.1KR法(KambaraReactor),.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,4.2.1KR法(KambaraReactor)脱硫反应动力学条件优越，可以采用廉价、安全、易于加工、储运的CaO基脱硫剂且因使用投入法加入，对其颗粒度、流态化特性等要求不高；独特设计的搅拌浆使得脱硫剂能够全处理过程充分地参与脱硫反应，脱硫效率高，脱硫产物稳定；脱硫渣量较大，但渣易于扒除，且因渣量大，渣中硫含量相对较低，在剩余渣量相同的情况下，残余硫总量少；,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,4.2.1KR法(KambaraReactor)由于强力机械搅拌，在采用CaO基脱硫剂时就必须扒除酸性的高炉渣。两次扒渣使得铁损较大，处理时间长，温度损失也较大。由于采用CaO基脱硫剂，铁水温度高有利于脱硫反应的进行，所以要求铁水温度尽可能高，应大于1300。如果温度低，铁水、熔渣粘度增加，脱硫热力学和动力学条件都恶化，降低脱硫效率。就此而言，CaO基脱硫剂适应于大型高炉的铁水脱硫；设备重量相对大得很多，建设投资额高；,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,4.2.2喷吹法脱硫反应速度快、效率高，过程温降小；与机械搅拌KR法相比，喷吹法投资少；在渣量不过多的情况下，无需扒除高炉炉渣，铁损相对较低；Mg基，特别是纯镁脱硫剂在铁水温度较高时，蒸发大，效率降低，处理成本上升；但对低温铁水效率高，相对优势较大；喷吹过程中，较难控制好处理中的平稳性，往往出现一定的铁水喷溅，产生额外的铁损；镁脱硫渣稀且硫含量高，扒渣难度大。,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,4.2.2喷吹法喷吹法要求从喷粉罐送出的气粉流均匀稳定、喷枪出口不发生堵塞、脱硫剂粉粒有足够的速度进人铁水、在反应过程中不发生堵塞，对喷吹系统的设备和控制要求很高。镁脱硫系统对氮气等介质质量要求很高，特别是对湿度限制很严。脱硫剂上浮后，较难再次发生反应，效率较低；当脱硫时，铁水包内渣量过少时，加入稀释剂会产生一定的铁损和温度损失；,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,.,两种脱硫工艺脱硫剂利用率比较,.,脱硫工艺运行成本比较,.,4.主要铁水预处理脱硫工艺方法,.,5.铁水预处理脱硫的工艺控制,铁水脱硫的两个重要技术环节：萃取硫：向铁水中加入脱硫剂，结合铁水中的硫形成稳定的高硫渣；排除渣：将高含硫量浮渣从铁水容器中排出。铁水脱硫的两个重要操作环节：减少扒渣铁损节省脱硫剂用量,.,5.铁水预处理脱硫的工艺控制,5.1.原始含硫量和目标含硫量由于对优质钢种需求增加，要求铁水预处理的目标含硫量不断降低。用来冶炼一般钢种的铁水，目标含硫量已达0.015%以下；用于冶炼优质钢种的铁水，硫含量要小于0.005%；从铁水脱硫角度看，含硫量高时脱硫速度快，脱硫率高。随着铁水含硫量降低，脱硫速度变慢，脱硫率也下降。铁水含硫量大于0.08%时，用石灰基脱硫剂时，出现脱硫速度变慢，效率下降的原因在于：石灰颗粒表面覆盖CaS层，此层中硫的扩散成为限制性环节。此时的脱硫速度与料流密度成正比，与石灰颗粒直径成反比，脱硫剂粒度设计和熔剂确定很重要。当铁水含硫量小于0.04%时，悬浮于铁水内的石灰颗粒上浮，与周围的铁水产生相对运动，在颗粒周围形成流动边界层，硫需经此边界层向石灰表面扩散。此时加速边界层扩散的措施都有利于脱硫，如加石灰石放出C02、加强搅拌等。,.,5.铁水预处理脱硫的工艺控制,5.2.铁水温度与处理过程的温降铁水预处理是炼铁和炼钢的中间工序，减少全过程的温降不仅会减少能耗，而且对工艺过程会产生一定影响。一般：扒渣温降615，装满铁水的铁罐在等待过程温降为每小时约1030，这与铁水面的覆盖程度有关。铁水温度提高，对提高脱硫率有利的。不仅如此，对扒渣和扒渣铁损减少也是有利的。如Weirton钢铁公司统计了铁水温度与扒渣铁损的关系，温度从1399降至1232，扒渣铁损由2%增加到3.1%。脱硫处理过程的温降大小主要与脱硫方法、脱硫剂用量和扒渣测温取样等有关。一般脱硫剂单耗每提高1kg/t，温降相