直接還原鐵技術(shù)

1、直接還原鐵技術(shù)直接還原鐵是鐵礦在固態(tài)條件下直接還原為鐵,可以用來作為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼的純凈原料,也可作為鑄造、鐵合金、粉末冶金等工藝的含鐵原料。這種工藝是不用焦碳煉鐵,原料也是使用冷壓球團不用燒結(jié)礦,所以是一種優(yōu)質(zhì)、低耗、低污染的煉鐵新工藝,也是全世界鋼鐵冶金的前沿技術(shù)之一。直接還原煉鐵工藝有氣基法和煤基法兩種,按主體設(shè)備可分為豎爐法、回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法、反應(yīng)罐法、罐式爐法和流化床法等。目前,世界上90%以上的直接還原鐵產(chǎn)量是用氣基法生產(chǎn)出來的。但是天然氣資源有限、價高,使生產(chǎn)量增長不快。用煤作還原劑在技術(shù)上也已過關(guān),可以用塊礦,球團礦或粉礦作鐵原料(如豎爐、流化床、轉(zhuǎn)底爐和回轉(zhuǎn)窯等。但是,

2、因為要求原燃料條件高(礦石品位要大于66%,含SiO2+Al2O3雜質(zhì)要小于3%,煤中灰分要低等,規(guī)模小,設(shè)備壽命低,生產(chǎn)成本高和某些技術(shù)問題等原因,致使直接還原鐵生產(chǎn)在全世界沒有得到迅速發(fā)展。因此,高爐煉鐵生產(chǎn)工藝將在較長時間內(nèi)仍將占有主導(dǎo)地位。1.直接還原鐵的質(zhì)量要求直接還原鐵是電爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼種的好原料,所以要求的質(zhì)量要高(包括化學(xué)成份和物理性能,且希望其產(chǎn)品質(zhì)量要均勻、穩(wěn)定。1.1 化學(xué)成份直接還原鐵的含鐵量應(yīng)大于90%,金屬化率要90%。含SiO2每升高1%,要多加2%的石灰,渣量增加30Kg/t,電爐多耗電18.5kwh。所以,要求直接還原鐵所用原料含鐵品位要高:赤鐵礦應(yīng)66.5%,

3、磁鐵礦67.5%,脈石(SiO2+Al2O3量3%5%。直接還原鐵的金屬化率每提高1%,可以節(jié)約能耗810度電/t。直接還原鐵含C0.3%,P0. 03%,S500N/cm。2.直接還原鐵產(chǎn)生工藝技術(shù)介紹2.1 豎爐法氣基豎爐法MIDREX、HYL法直接還原鐵產(chǎn)生中占有絕對優(yōu)勢,該工藝技術(shù)成熟、設(shè)備可靠,單位投資少,生產(chǎn)率高(容積利用系數(shù)可達812t/md,單爐產(chǎn)量大(最高達180萬t/年等優(yōu)點。經(jīng)過不斷改進,其生產(chǎn)技術(shù)不斷完善,實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。(1MIDREX技術(shù)Midrex法標(biāo)準(zhǔn)流程由還原氣制備和還原豎爐兩部分組成。還原氣制備:將凈化后含CO與H2約70%的爐頂氣加壓送入混合室,與當(dāng)量天然

4、氣混合送入換熱器預(yù)熱,后進入1100左右有鎳基催化劑的反應(yīng)管進行催化裂化反應(yīng),轉(zhuǎn)化成CO2 4%36%、H260%70%、CH43%6%和870的還原氣。后從風(fēng)口區(qū)吹入豎爐。豎爐斷面呈圓形,分為預(yù)熱段、還原段和冷卻段。選用塊礦和球團礦原料,從爐頂加料管裝入,被上升的熱還原氣干燥、預(yù)熱、還原。隨著溫度升高,還原反映加速,爐料在800以上的還原段停留46小時。新海綿鐵進入冷卻段完成終還原和滲碳反應(yīng),同時被自下而上通入的冷卻氣冷卻至2450 N/球,塊礦粒度1035mm占85%;要有高軟化溫度和中等還原性;化學(xué)成分鐵量要高,酸性脈石低(3%-5%,CaO2.5%,MgO1.0%,TiO0.15%,S

5、0.008%。為放寬對礦石含硫要求,Midrex法改用凈化爐頂氣作冷卻氣。在冷卻海綿鐵的同時被熱海綿鐵脫硫,從冷卻段排出后再作為裂化劑,可容許用含硫0.02%礦石?，F(xiàn)今Midrex法作業(yè)指標(biāo)為:產(chǎn)品金屬化率86%96%,有效容積利用系數(shù)10 t /md,能耗10.47GJ/t,電114kWh/t,水1.64m/t。Arex法是Midrex法的新改進,天然氣被氧氣(或空氣部分氧化后送入豎爐,利用新生熱海綿鐵催化裂化,省去了還原氣重整爐。改進后噸鐵電耗可降低50Kwh。(2HYL(罐式法與HYL-(豎爐法。HYL法由4座罐式反應(yīng)爐和1座還原氣重整爐構(gòu)成。該工藝作業(yè)穩(wěn)定、設(shè)備可靠。產(chǎn)品含碳2%左右,

6、不易再氧化,不發(fā)生爐料粘結(jié);只因還原氣要反復(fù)冷卻、加熱,系統(tǒng)熱效率低,能耗偏高,氣體消耗為20.93GJ/t;1975年后再沒建新廠。對HYL罐式法作出改革,保留原還原制備工藝,但將還原氣重整轉(zhuǎn)化與氣體加熱合一;4個罐式反應(yīng)爐改為連續(xù)式豎爐,稱HYL-豎爐法。該工藝采用高氫還原氣,高還原溫度(900-960和0.4-0.6MPa高壓作業(yè)。改善還原動力學(xué),加速還原發(fā)應(yīng);含硫氣不通過重整爐,延長了催化劑和催化管使用壽命;還原和冷卻作業(yè)分別控制,能對產(chǎn)品金屬化率和含碳量進行大范圍調(diào)節(jié),產(chǎn)品平均金屬化率9 0.9%、控制碳量1.5%-3.0%,質(zhì)量穩(wěn)定;配置CO2吸收塔,選擇性地脫除還原氣中H2O 和

7、CO2,提高還原氣利用率;重整爐產(chǎn)生高壓蒸汽發(fā)電。最低生產(chǎn)能耗為10.43-11.2 GJ/t,電耗90kWh/t。HYL(罐式法已逐漸被HYL-(豎爐法取代,合計產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的25%左右。該法的新改進是天然氣進入反應(yīng)器直接裂解,生產(chǎn)高碳(3.8%DRI產(chǎn)品。最近又推出HYL-Hytemp生產(chǎn)系統(tǒng)。將熱還原鐵(650氣力輸送到電爐車間,噴入電爐。冶煉時間縮短,電極和耐火材料消耗降低,金屬收率提高。噸鋼電耗降低112kWh,電極消耗降低0.55kg,冶煉時間縮短16min,產(chǎn)率提高16%,噸鋼成本可降低4.6美元。2.2 氣基流化工藝(1F1NMEF工藝該工藝使用12mm粒度礦粉(脈石3%,

8、低硅高鐵,在流化床上干燥,被加熱到100,送入反應(yīng)器結(jié)構(gòu)頂端的閉鎖料斗系統(tǒng)中,加壓1.1MPa后,通過4個串聯(lián)液化床反應(yīng)器,鐵粉在重力作用下從上方反應(yīng)器向下流動,與作為還原劑的重整天然氣逆向而行。產(chǎn)品含鐵92%,金屬化率92%95%,含碳0.5%3.0%,以FeC形式存在。現(xiàn)世界上已有三套這種裝置,1999年奧鋼聯(lián)建第一套,第二套在西澳BNP公司,能力250萬噸/年,埃及建的第三套,年能力115萬噸。該工藝的優(yōu)點成本低、質(zhì)量好。(1Circored和Circofer工藝兩種工藝核心設(shè)備都包括一座循環(huán)液化床和一座普通流休床。Circored是用天然氣為能源, Circofer以煤為能源。鐵精礦粉

9、是經(jīng)過預(yù)熱后(約900進入循環(huán)流化床參加反應(yīng),使動力學(xué)條件得到改善,在4個大氣壓條件下,鐵礦與氫在630時可被還原(在氣體環(huán)路中加入部分氫。2.3轉(zhuǎn)底爐法將鐵礦粉、鋼鐵廠含鐵粉塵、煤粉和粘結(jié)劑按一定比例混合,壓制成含碳球團礦,送入烘干機內(nèi)進行烘干,脫除水份。將干燥的含碳球團均勻地鋪在轉(zhuǎn)底爐上(只鋪一層,在高溫12001400下球團礦內(nèi)氧化鐵與碳反應(yīng),放出CO,在爐膛內(nèi)燃燒成CO2,并形成高溫廢氣(在1000以上。一般反應(yīng)只要20分鐘左右。將廢氣收引出預(yù)熱煤氣(400和助燃空氣(900,低溫廢氣從蓄熱室和換熱器引出,再去烘干生球團。這時廢氣溫度在100左右。從節(jié)能角度看,能源利用效率較高。轉(zhuǎn)底爐

10、的高溫氣體由燃燒器來提供(使用煤氣加熱。轉(zhuǎn)底爐可以處理含Zn、Pb高粉塵,可以避免配入燒結(jié)礦中后,在高爐冶煉過程中Z n、Pb的富集造成的負面影響。目前的山西翼城,河南鞏義已有外徑為16.3米的轉(zhuǎn)底爐,年產(chǎn)量在7萬噸,金屬化率達85%,每噸鐵投資為182元。2.4開發(fā)利用焦?fàn)t煤氣,對含碳球團在豎爐內(nèi)進行直接還原。焦?fàn)t煤氣含55%左右的氫。在化學(xué)反應(yīng)中,氫對氧化鐵的還原率是最高的。目前,首鋼準(zhǔn)備開展這方面的工作。焦?fàn)t煤氣要進行裂解,提高H2的含量,并要預(yù)熱到930950,在參與還原反應(yīng),反應(yīng)后氣體要脫除CO2,再循環(huán)利用。用氫作還原劑存在的主要技術(shù)問題:H2還原鐵的其它氧化物都是吸熱反應(yīng),需要充

11、足的熱。在滿足還原和供熱的煤氣的最佳H2含量為32.05%。富氫預(yù)還原會導(dǎo)致物料的粉結(jié)。采取分段供應(yīng)富氫和非富氫供氣制度。3.直接還原鐵發(fā)展現(xiàn)狀3.1 全世界直接還原鐵發(fā)展比較快,2003年產(chǎn)量為4960萬噸,2004年為5460萬噸, 2005年約為6000萬噸。年增長率在10%以上。在直接還原鐵生產(chǎn)工藝中,氣基直接還原占92%。表1 各種直接還原鐵生產(chǎn)所占比例單位:%年MIDREX HYLHYLFinmet 其他煤基其他氣基2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.402004 64.10 18.90 1.90 2.90 12.10 0.102004年委內(nèi)瑞拉產(chǎn)

12、量783萬噸,印度937萬噸,墨西哥654萬噸,伊朗641萬噸,俄羅斯314萬噸,沙特341萬噸,特立尼達和多哥236萬噸,中國為43萬噸。3.2 中國情況2005年中國生產(chǎn)直接還原鐵為約50噸,而生產(chǎn)能為比產(chǎn)量要高出20%。主要是技術(shù)、原料、成本等因素影響。全國現(xiàn)有30多個直接還原鐵企業(yè),其總生產(chǎn)能力約60萬噸?？傮w上講,規(guī)模小,生產(chǎn)成本高,缺少高品質(zhì)的原料。多數(shù)企業(yè)用隧道窯反應(yīng)罐法,生產(chǎn)工藝落后,能耗高,環(huán)境污染嚴重。(1天津直按還原鐵廠生產(chǎn)實踐2004年產(chǎn)直接還原鐵33.2萬噸,2005年約產(chǎn)34萬噸,設(shè)備作業(yè)率在98%以上。該廠是采用DRC法煤基直接還原生產(chǎn)工藝:兩條5X80m回轉(zhuǎn)窯-

13、冷卻筒-產(chǎn)品分選-成品。使用巴西球團礦(含鐵品位68%,SiO2+Al2O3約為2%適宜配入煤和石灰石,進行混均,從回轉(zhuǎn)窯給料端加入。窯體是傾斜安裝,慢速旋轉(zhuǎn),使?fàn)t料朝卸料端運動,同時,礦石被加熱和還原(注意溫度控制在不要使脈石熔融,以免結(jié)圈。煤作為熱源和還原劑,一部分隨鐵礦石同時加入,另一部分從窯的卸料端噴入窯內(nèi)。供煤所燃燒的空氣,通過沿窯長度方向安裝在窯殼上不同位置的風(fēng)機由軸向吹入窯內(nèi)。熱的還原產(chǎn)品經(jīng)過冷卻筒冷卻,然后篩分、磁選及風(fēng)選,分離出非磁性物,得到成品。來自窯內(nèi)的煙氣經(jīng)余熱鍋爐回收余熱(產(chǎn)生蒸汽,廢氣經(jīng)布袋除塵,用廢氣風(fēng)機送入煙囪。操作的技術(shù)關(guān)鍵: 保證窯內(nèi)還原氣氛,控制好風(fēng)量 控

14、制好窯體內(nèi)各部分的適宜溫度,不讓脈石熔融 窯的卸料端保持微正壓,2030Pa控制直接還原鐵金屬化率在91.1%94.6%,質(zhì)量合格率在94%,是最經(jīng)濟的指標(biāo)。金屬化率高和低,均會造成回轉(zhuǎn)窯和電爐煉鋼指標(biāo)的惡化。(煉鋼過程加入直接還原鐵比例最好控制在15%35%,并要控制好料流加入速度3234Kg/兆瓦分,以免出現(xiàn)鋼水的沸騰現(xiàn)象以及噴濺。影響產(chǎn)品金屬化率的因素是:頻繁停窯、非正常條件下生產(chǎn)(難以調(diào)控,窯和冷卻筒密封性不良、煤的成份波動和質(zhì)量控制點選擇不當(dāng)。(2首鋼密云冶金礦山公司煤基鏈篦機 回轉(zhuǎn)窯 一步法該公司直按還原鐵年生產(chǎn)能力6.20萬噸, 生產(chǎn)工藝:配料 造球 干燥(鏈篦機 回轉(zhuǎn)窯(還原 冷卻 成品。 鐵精礦水份嚴格控制在5.5%6.5%。 造球配皂土(粘結(jié)劑0.8%1.0%,臺時產(chǎn)量202噸。 鏈篦機帶速為0.5m/min,布料厚度100120mm。生球抗壓強度1.2Kg/個,落下強度5次/0.5m,水份控制在7.5%左右,粒度61 6mm占85%以上。 回轉(zhuǎn)窯及熱工系統(tǒng)操作