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      1. 轉底爐直接還原技術綜述

        2020-05-11 10:02:21 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

        闡述了國內外轉底爐技術的發展歷程,國外包括Inmetco、新日鐵技術、FASTMET、IDI、ITmk3、DryIron、Comet、Hi-Qip與Resmelt等技術;國內包括寶武環科、北京科技大學、鋼鐵研究總院、中冶賽迪、神霧集團等技術。
         彭程,曹志成,劉長正,崔慧君

        寶武集團環境資源科技有限公司轉底爐事業部

         

        引 言

        轉底爐始源于軋鋼用的環形加熱爐,由美國羅斯米德蘭有限公司(Midland Ross Co.)最先提出0,從20世紀60年代起被開發成為一項新的煤基直接還原工藝。

        轉底爐直接還原法屬非高爐煉鐵技術范疇,該技術以其原料適應性強和操作工藝靈活等優點,引起冶金界高度重視。20世紀90年代,美國、德國、日本等國家在轉底爐發展過程中都相繼投入力量開發研究,進行了大量的示范性試驗和小規模生產試驗,成功將轉底爐用于煉鐵和處理鋼廠含鐵固廢,并于2000年起先后建立起工業化生產廠。目前該技術已經日趨成熟并表現出較好的商業發展潛力,全世界建成和投產的具有工業規模的轉底爐有30余座。

        目前,已實現工業化的轉底爐生產工藝有Inmetco、FASTMET、IDI、DryIron和ITmk3 (第三代煉鐵法)等。雖然這些生產工藝在原料加工方式、裝料、爐溫分布、燒嘴形式、高溫廢氣熱量利用、產品質量及產品用途等方面有所不同,但其基本工藝是相似的,即將含鐵原料和還原劑按一定配比混合,同時配加適量粘結劑,經造球或壓球后加入轉底爐爐底,在溫度1200~1400 ℃的轉底爐環形爐膛旋轉一周后,含鐵原料被還原得到金屬化球團或粒鐵,原料中的鋅、鉛、鉀、鈉、銀、銦、錫等元素通過煙氣收塵系統回收,得到高價值的粉塵。

        1 國外轉底爐技術發展及工業化運行現狀

        國外轉底爐技術主要可分為Inmetco、新日鐵技術、FASTMET、IDI、ITmk3(第三代煉鐵技術)、DryIron、Comet、Hi-Qip和Resmelt等。

        1.1 Inmetco工藝

        20世紀70年代,加拿大的國際鎳集團-INCO公司先建成了一座直徑6.3 m的環形爐進行合金鋼廢料的直接還原處理試驗,獲得成功后,該公司成立國際金屬回收公司(Inmetco公司),并于1978年12月,在美國賓夕凡尼亞州Ellwood城建成了世界上第一座具有生產規模的轉底爐,命名為Inmetco法,此為首次利用轉底爐處理不銹鋼廠廢料生產DRI,并回收Zn、Ni、Cr等金屬。Inmetco法轉底爐生產的DRI熱裝入電爐生產合金鐵水[3,4]。此外,此轉底爐用鐵精礦粉生產DRI,也取得了很好的效果。據稱,該轉底爐已正常運行幾十年,經過多年的發展,目前主要處理不銹鋼氧化鐵皮、鐵屑、粉塵、其他含鎳、鉻、鈷的廢水和污泥以及含鋅電池等[5]。

        Inmetco工藝流程見圖1所示[6],造球系統送過來的球團通過擺動皮帶機由加料溜槽加入轉底爐內,爐料厚度約1~2層,轉底爐旋轉經過爐料的加料區、燃燒區后還原成海綿鐵,通過帶水冷的螺旋卸料機排出爐外裝入旋轉料盤上的儲料桶,然后送入6.2 MVA礦熱爐(直徑6.4m)進行熔煉,熔煉后的鐵水經鑄鐵機澆鑄成鐵塊。該工藝的特點為:該轉底爐爐內由隔板分隔為加、排料區和燃燒區。燃燒區又分為4個區,每個區內外側壁均配有不同數量的燒嘴,通過管道送入的燃氣配助燃空氣燃燒產生的熱量來控制每個區的溫度,產生的約1100 ℃煙氣逆轉底爐旋轉方向流動至球團落料口附近的煙道排至煙氣除塵系統,該轉底爐爐墻和爐床采用水封密閉,水封內堆積的粉塵污泥等雜物用刮刀清理,爐床內外測的外圍設置了多個刮刀。轉底爐出來的廢氣用來預熱助燃空氣,過剩的空氣可用來產生蒸汽和發電,每噸DRI可發電300~500 kWh。此外,該工藝過程中生球未經干燥直接入轉底爐進行直接還原反應。該轉底爐用于處理不銹鋼冶煉廢棄物時,年處理量為6萬t,處理后金屬化球團中鎳金屬化率約95%,鐵金屬化率約80%。

         

        1.2 新日鐵技術

        新日鐵公司在于1999年引進美國的DRyIRON工藝技術,并獲得代理推銷權后,針對各種不同的鋼鐵廠粉塵進行了有針對性的研發,形成了各種鋼鐵廠粉塵的轉底爐處理技術,包括以君津廠轉底爐為代表的高爐灰、轉爐灰和污泥處理轉底爐,以朝日工業廠轉底爐為代表的處理電爐灰的轉底爐,以及采用DRyIRON工藝處理不銹鋼粉塵和污泥的轉底爐。目前新日鐵技術已成為應用范圍較廣的轉底爐技術之一,采用該技術的商業化轉底爐如表1所示。

         

        1.3 FASTMET工藝與FASTMELT工藝

        FASTMET工藝的前身是美國羅斯米德蘭有限公司(Midland Ross Co.)研發的Heat Fast工藝。 20 世紀60 年代,美國羅斯米德蘭有限公司(日本神戶制鋼美國子公司米德雷克斯公司(MIDREX Technologies Inc.)的前身),因直接還原的回轉窯存在諸多問題,首先提出了復合球團(含鐵礦和碳還原劑)的轉底爐直接還原法。后來美國MIDREX技術有限公司研發出可同時處理鐵精礦和鋼廠粉塵的FASTMET工藝,此后,日本神戶制鋼引入此項技術,于1995年在加古川制鐵所在建立了一座FASTMET法轉底爐示范性試驗廠(該轉底爐于2001年經改造后用于商業化生產),進行了多組示范性試驗,最終于2000年在日本新日鐵廣畑制鐵建成了第一座商業化應用的FASTMET法轉底爐。隨后,神戶制鋼又分別于2005年,2008年,2009年,2011年在新日鐵廣畑制鐵所和日本JEF鋼鐵的西日本制鐵所(福山廠區)建成了四座FASTMET法轉底爐,其中2008年在新日鐵廣畑制鐵所建設的轉底爐,是第一座實現FASTMET-HBI(Hot Briquette Iron)工藝的商業化轉底爐[7]。

        此外,由于FASTMET工藝生產DRI脫硫能力差,DRI硫含量約為0.15-0.4%,所產的DRI金屬化率低,如直接用于煉鋼,會使渣量增加,造成煉鋼的能耗上升和產量下降,為了分離渣和鐵,使鐵水可用于熱裝煉鋼,神戶制鋼在FASTMET工藝的基礎上又研發了采用轉底爐與電弧爐或煤基熔爐雙聯生產熱態鐵水的工藝,即FASTMELT工藝。

        圖 2為典型的FASTMET工藝流程圖(含FASTMELT和FASTMET-HBI工藝),圖 3為FASTMET工藝轉底爐爐內反應簡圖。

         

        1.4  ITmk3工藝

        ITmk3工藝又稱第三代煉鐵法,由日本神戶鋼鐵公司與美國Midrex公司聯合開發,并在20世紀90年代中后期取得了突破性的進展,ITmk3工藝與FASTMET工藝類似,所不同的是,它把工藝過程中還原溫度精確控制在Fe-C平衡相圖中一個固定固液共存的新區域(約1350-1450 ℃)。在這一溫度范圍內,含碳球團礦被還原和熔化,鐵水從渣中分離出來,整個過程只需要10 min就可以完成[8]。工藝流程如圖所示[9]。

        1999年在日本加古川廠建立了年產3000t(生產率為0.35t/h)的中試廠,轉底爐外徑為5m,內徑3.2m,并在同年10月及2000年12月分別完成了2次生產測試,其工藝設計得到了實際驗證。2003年5月神戶鋼鐵與美國動力鋼公司合資在美國投建了2.5萬t/年示范工廠,轉底爐直徑14m,并連續運行一年于2004年7月結束,期間產品質量和設備運轉良好。

        2007年末美國動力鋼公司(占85%)與神戶鋼鐵公司達成協議在明尼蘇達州的Mesabi Nugget公司建設首座ITmk3商業化工廠,設計年產50萬t粒鐵(估計產能為43萬t粒鐵),轉底爐直徑60m(內徑50m)。該廠于2010年1月正式開始商業化運營,主要處理所用原料為鐵燧巖(屬于磁鐵礦),金屬化率為85%,所生產的粒鐵的鐵含量可達到97%。2010年產量為7.5萬t粒鐵,2011年產量為15.9萬t粒鐵,2012年產17.8萬t粒鐵,2013年產21.4萬t粒鐵,2014年產24.1萬t/粒鐵,該生產線由于金屬回收利潤減少、市場前景低于預期等問題,美國動力鋼公司決定從2015年5月份起長期停產[10,11]。

         
         
         

        1.5 DRYIRON法

        20世紀90年代,美國莫米研究和工程公司(MR&E,Maumee Research & Engineering)與羅杰鋼公司RSC)聯合開發了DRYIRON的鋼鐵廠含鋅粉塵處理回收工藝,新增了包括含鐵粉塵和焦末的配混料系統和壓塊系統等,工藝流程圖如圖5所示[12]。在脫鋅和回收鐵的同時,還回收了廢料中的鎳、鉻等合金成分,并根據這些廢料含水量大、含碳很少的特點,對工藝作了適當改進,即對廢料先干燥脫水,再配入還原用焦粉,然后壓制成為較易還原的橢圓形塊,該工藝被命名為DRyIRon法DRyIRon法轉底爐爐內反應溫度為1160~1290 ℃,爐內停留時間15 min,所得DRI產品用于電爐和AOD爐。

         

        1.6  IDI工藝


        ……
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