工业化转底炉工艺的研究进展

工业化转底炉工艺的研究进展

1高炉其他预处理在钢铁生产过程中，会产生各种含糊量低的铁矿，可以回收和回收。高含糊量的不能使用。否则，将影响矿山和高炉的操作，因此必须进行额外处理。近来年,美国、日本、中国和韩国部分钢铁企业采用转底炉技术来处理高锌含铁尘泥。转底炉工艺属于非高炉炼铁范畴,有很多种,其中已实现工业化的有Fastmet、Inmetco、DryIron和ITmk3等工艺。本文在介绍这些工艺运行状况的基础上,对转底炉的工艺特点、局限性及将来的发展进行了评述。2fasmet、inmecto和itmk3工艺的主要特点工业化应用最广泛的转底炉工艺是Fastmet,其次是Inmetco工艺,ITmk3和DryIron工艺的工业化炉较少。表1简要概括了已实现工业化的转底炉工艺及其特点。Fasmet、Inmetco和ITmk3工艺的流程和设备配置基本相似,但ITmk3与Fasmet和Inmetco工艺的还原温度以及DRI产品质量有很大不同,而Fasmet与Inmetco工艺只是细微处有区别,如炉温分布、烧嘴形式、高温废气热量利用等。DryIron工艺的最大特点是焦粉或煤粉与铁矿粉或者含铁固废混合后直接压制成块,不使用粘结剂,而且这种含碳压块在转底炉单层装料。3国内外工业废物处理3.1日本钢铁公司转底炉对高锌为固废的回收利用日本由于环境制度非常严格,所以从2000年开始,日本钢铁公司相继建起了转底炉来处理高锌含铁固废,如表2所示。新日铁转底炉使用天然气作燃气,JFE转底炉使用焦炉煤气作燃气。(1)转底炉还原试验神户钢铁公司加古川的Fasmet炉作为示范炉生产时,处理的含铁含锌粉尘来自钢厂,转底炉还原温度为1300～1350℃,还原时间为12min。表3为当时所用含碳球团以及所产DRI的化学成分和锌含量;DRI金属化率(MFe/TFe)超过了90%,脱锌率超过90%;回收粉尘中锌含量为44.70%。(2)dri水处理新日铁广厂1号Fasmet炉从2000年4月开始连续运行,至2000年7月,完成设备性能测试并开始正常商业运行,之后于2000年8月,设备作业率曾达到90%以上。该炉子在生产率为100kg/(m2·h)时,DRI金属化率达91.9%,脱锌率为94.0%;转底炉布袋过滤器回收的粉尘含锌量约为63.4%(其中78.9%是氧化锌),铁含量小于1%,是炼锌厂很宝贵的原料。(3)废水的预处理新日铁光厂生产不锈钢,使用DryIron转底炉来处理电炉粉尘、酸洗沉渣和轧钢氧化铁皮等固体废料,在脱锌和回收铁的同时,还回收了废料中的镍、铬等合金成分。并根据这些废料含水量大、含碳很少的特点,对工艺作了适当改进,即对废料先干燥脱水,再配入还原用焦粉,然后压制成为较易还原的椭圆形块。转底炉还原温度为1300℃,还原时间15min,DRI产品用于电炉和AOD炉。自投产以来,作业率保持在80%左右,通过控制配料使DRI的金属化率为70%～80%,同时回收镍和铬,取得了较好的经济效益。(4)还原时间及dri金属化率君津厂2座Inmetco转底炉的冶炼温度为1250～1300℃,还原时间分别为10～20min和15～30min;生球处理能力设计为23t/h,实际运行时达到25t/h;DRI金属化率设计为70%,实际运行时达到75%～85%;脱锌率设计值90%,实际可达92%。(5)明尼苏达产磁铁矿SteelDynamicsInc(钢动力公司)于2009年第4季度在美国的明尼苏达Hoyt湖投产了世界上第一座产能为50万t/a的ITmk3商业厂,使用当地的铁燧岩(属于磁铁矿)生产优质DRI。2011年上半年,设备作业率为85%,生产率80%,主要原因是煤传输系统出现了问题。3.2川龙蚤、评论员、沙钢、铁钢的转底炉我国工业化转底炉中,以综合利用复合矿为目的的有四川龙蟒、攀枝花和日照的转底炉;以处理高锌含铁尘泥为目的的有马钢和沙钢的转底炉;以生产预还原炉料为目的的有山西翼城、莱钢和天津荣程等厂的转底炉。(1)烟气系统设计质量日照钢铁有2座国内自行研发设计的的转底炉,于2010年5月投产,产能20万t/a。投产后,原料压球系统、螺旋排料机和烟气系统存在的问题相继暴露出来。经过不断改进,从2010年12月到2011年4月,产量基本稳定在设计值的50%左右,作业率低于80%,DRI金属化率基本稳定在50%～80%;产能和作业率不高的主要原因是烟气处理系统设计存在缺陷。2011年5月对转底炉烟气系统拆除改造后,炉子作业率和DRI金属化率分别达到90%和80%左右。生产的DRI已作为冷却剂用于转炉(约20～30kg/t),因用量较少,所以DRI质量对炼钢消耗、转炉生产成本和钢水质量的影响不是很明显。转底炉回收的含锌粉尘中,氧化锌含量呈下降趋势,降低了其商业利用价值。(2)炉熔分装置四川龙蟒集团建设了1座7万t/a的转底炉(处理钒钛磁铁矿)与电炉熔分相结合的工业试验性生产线,目的是回收钛、钒、铬、铁,电炉熔分装置用于生产铁水和富钛渣。该转底炉于2007年2月开始运行,曾因烧嘴、炉底盘、水封、加料机、炉顶、烟道、电炉盖、炉壳等处发生事故而多次停炉维修,直至2010年10月,才开始满负荷作业。在转底炉和电炉运行期间,DRI金属化率稳定在70%～80%,电炉富钛渣TiO2品位达50%～52%,比当地钛精矿TiO2品位高出4～6个百分点,富钛渣的商业价值已接近或等同于钛精矿。(3)高锌尘泥转底炉试生产马鞍山钢铁公司引进新日铁君津厂的技术,于2009年7月建成投产了1座处理能力为20万t/a的转底炉,用于处理高锌尘泥。在试生产过程中,污泥烘干系统、离心机、润磨机、造球盘等相继出现问题,经过不断的工艺优化和技术改造,2010年1月作业率曾达95%。其生产的DRI的金属化率约为80%,用作高炉炉料。4配套装置问题转底炉工艺在工业化生产中出现了许多问题,有的是工艺本身的局限性问题,有的是配套装置产生的问题。概括来说,Fastmet、Inmetco和DryIron工艺本身的局限性问题较多,ITmk3的工艺局限性问题相对较少。4.1制作优质的煤调湿设备(1)Fastmet、Inmetco和DryIron工艺的DRI产品中脉石和S含量较高,TFe和DRI金属化率一般较低,这是由其工艺特点决定的。Fastmet和Inmetco工艺采用内配煤粉作还原剂,加粘结剂造生球,铁矿粉品位或固废等铁料的含铁量、粘结剂用量及煤中所含的灰分和S等有害元素将直接影响DRI的品质;DryIron与Fastmet和Inmetco相比,制作入炉团块时虽不用粘结剂,但铁料和煤对DRI的影响是一样的。要生产优质DRI,需要高品位的铁矿粉或含铁量高的固废和低灰分、低S的煤作还原剂才行。北京科技大学进行的理论计算表明,要想得到TFe和金属化率都达到90%的DRI产品,磁铁矿的TFe应达69.5%、赤铁矿应为68.5%,而煤的灰分应小于4%,S应低于0.6%。如果用普通高炉用铁矿(品位64%左右)和普通煤(灰分约12%),那么,由转底炉得到的DRI产品的TFe只有78%,金属化率约为85%。另外,由于采用敞焰加热,还原的铁可能发生再氧化,只有抑制这一现象才能获得较高的金属化率。所以,Fastmet、Inmetco和DryIron工艺的DRI产品大都用作高炉原料,也有用作转炉和电炉炉料的,但用量都很少,以不至于影响炼钢生产。(2)转底炉工艺普遍存在能耗高、生产率低的问题。据报道,转底炉的煤耗约为500kg/t。由于转底炉主要依靠辐射传热,炉底只能铺1～3层球团,故影响其生产率提高。4.2转底炉粉碎回收(1)配套设备故障率高。转底炉装置类似于轧钢环形加热炉,机械设备复杂,高温台车、热出料机及热筛分设备故障率高,运行维护费用较高。(2)转底炉粉尘的回收处理仍是个问题。日本研究发现,转底炉原料中的锌含量和氯含量对回收粉尘的锌含量影响很大。在处理锌含量为20%、氯含量为2%～4%的高锌含铁粉尘时(如电炉粉尘),回收粉尘中锌含量为60%左右;如果转底炉原料中锌含量较低,回收粉尘中的锌含量也会降低,直接影响其商业利用价值。4.3基于端点发热限制的开发技术4.3.1熔融炉与转炉针对Fastmet和Inmetco工艺DRI产品中脉石和S含量较高的问题,产生了在其后接一熔融炉,分别能够生产铁水的Fastmelt和RedSmelt工艺。熔融炉可以是埋弧炉,也可以是煤基熔化炉。将转底炉生产的DRI热态输送至熔融炉,脱S除渣,可生产出与高炉相似的铁水。神户曾建了一座Fastmelt中试炉,美国动力铁公司的这种工艺则实现了商业化生产。4.3.2psh工艺特点为解决转底炉工艺料层薄、生产率低的缺点,McMaster大学提出了PSH(PairedStraightHearthFurnace)工艺。PSH以厚料层(120mm)、高火焰温度(1600℃)、高能量利用率为基础,可以生产金属化率达90%以上的具有高密度和高强度的DRI,能耗比当前高炉低30%,生产的DRI可直接用于电炉炼钢。美国已把该技术列为技术路线图中的一个研究项目,并建设了4.5万t/a的示范厂,其DRI金属化率为95%。5其他钢铁公司转底炉工艺已实现工业化的钢铁厂高锌含铁固废处理工艺除了转底炉之外,还有蒂森克虏伯钢铁公司使用的OxyCup竖炉工艺,以及德国杜伊斯堡地区DK公司的小高炉工艺。5.1oxcup炉炉德国蒂森克虏伯利用OxyCup竖炉回收高锌含铁固废,该装置于2004年8月建成投产。把烧结机粉尘、高炉污泥、转炉粉尘、轧机污泥、焦炭渣等含铁含碳固体废料混合后,加入粘结剂制成六边形型砖,然后送入OxyCup竖炉冶炼。冶炼过程要求温度为620℃的热风30000m3/h、氧气3500m3/h左右;产生的炉顶煤气量大约50000m3/h,热值约为4300kJ/m3。炉顶煤气部分用于加热热风,其余的并入钢铁厂总煤气管网。铁水产量为15～65t/h,渣量为15～30t/h。OxyCup竖炉当年投资2100万欧元,所用炉料除了蒂森克虏伯自己的高锌含铁固废,还外购一部分。在生产铁水的同时,回收一部分高锌洗涤塔污泥。正常生产中,由高锌含铁固废制成的型砖只是其中一部分炉料(占60%以上),另外还使用一部分其它料,如熔剂、焦炭和废钢铁等。竖炉炉渣可以用作水坝的建筑材料和其他水利工程建材。5.2固体样品和高炉在德国的Duisburg-Hochfeld,DK公司利用工作容积为580m3的小高炉处理欧盟的固体废料,主要冶炼铸造铁。转炉泥、高炉瓦斯灰、瓦斯尘泥、轧钢屑、电池等固体废料和部分普通铁矿经过烧结机处理后,送入高炉冶炼。小高炉入炉焦比为630kg/t,煤比为70kg/t,燃料比在700kg/t以上;煤气利用率较差,ηCO约为30%;铁水中S含量为0.1%左右。高炉入炉料锌负荷和碱负荷分别为38kg/t和8.5kg/t,高炉瓦斯泥中锌含量达60%以上,可以作为回收锌的原料。5.3主要的铁水处理设备和工艺对比(1)工艺成熟性和生产稳定性:在转底炉、OxyCup和小高炉工艺中,工艺最成熟和生产最稳定的当属小高炉。但小高炉也有很大缺点,如需要大量高锌含铁固废原料,在我国,原料来源是个问题;另外国家现在限制小高炉生产,所以不适合发展小高炉工艺。(2)金属铁产品:这三种工艺中,一般转底炉生产的是含铁量和金属化率不高的DRI,OxyCup和小高炉生产的均是可直接用于炼钢的铁水。(3)副产品:三种工艺均产生一定量的富锌炉尘,而OxyCup和小高炉除此之外,还有炉渣需要处理。(4)还原剂:转底炉所需还原剂只是含碳球团中的碳,OxyCup除含碳型砖中的碳外,还需一定量的焦炭,小高炉则主要是焦炭。(5)其它能源:转底炉需要一定量的燃气来加热,以便使炉内达到一定温度要求;OxyCup和小高炉需要一定温度的热风,小高炉的热风温度比OxyCup高得多,而OxyCup还需要喷吹大量氧气。(6)投资:考虑全部配套设备在内,小高炉因为需要烧结厂、炼焦厂和热风炉,吨铁投资最贵;其次是OxyCup,因为其竖炉本体投资与转底炉差不多,除此之外还需要投资型砖技术、压块设施以及制氧设施;相比来说,转底炉投资最低。综合对比上述三种工艺,在钢铁厂高锌含铁固废处理方面,转底炉是最佳和最可行的,因为它不需要消耗焦炭和热风,不需要像小高炉投资那么大,技术上也不像OxyCup那样全部需要引进。虽然大多数转底炉工艺生产的DRI质量不如OxyCup和小高炉,但钢铁厂内可以自行消化。6我国第一个也是最先进的二级炉技术介绍与构建6.1fasmelt和resmelt工艺未来转底炉的发展基本上可有两种定位。一种是以处理钢铁厂高锌含铁固废和难选难烧铁矿为目的,主要生产高炉用DRI,代表性工艺有Fastmet和Inmetco。这两种工艺生产的DRI质量较差,虽然为应对此问题而开发了Fasmelt和RedSmelt工艺,并已有商业化生产厂,但这两种工艺能耗太高,除了转底炉耗用的煤炭和燃气之外,与转底炉相配套的电弧炉耗电约为500kWh/t铁水,并不适合我国国情。我国北京科技大学曾提出了提高DRI质量的“破碎-磁选-分离”技术,也曾对煤基热风熔融炉技术进行过研究,比较适合我国国情,但距离商业化尚远。另一种则是以利用普通铁矿或低级铁矿增加产量为目的,主要生产优质DRI,可直接用于电炉生产,也可用作转炉优质冷却剂,代