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熔融還原煉鐵技術分析與發展建議

2019-02-13 16:33:08 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

現階段熔融還原技術更加趨于成熟、理性,技術的趨向更加集中。開發熔融還原的目的就是向傳統高爐流程提出挑戰,降低碳排放和降低能源消耗,使煉鐵生產變得更加清潔環保。
   龐建明,潘聰超,趙志民,邸久海,宋耀欣
  中國鋼研科技集團有限公司資源應用與合金材料事業部


  目前,歐盟啟動了ULCOS項目、新一代熔融工藝Isarna、ULCORED先進的直接還原工藝流程以及鐵礦石電解的研究[1];日本則啟動了COURE50項目研究[2]。新一代煉鐵技術的研究是以環境友好、節能減排、煤氣循環利用為核心的。

  與傳統的高爐煉鐵方式相比,非高爐煉鐵工藝具有投資小、能耗低、流程短、環保等特點。因此人們研究開發了多種非高爐煉鐵法,這些方法包括直接還原法和熔融還原法。

  許多國家都在積極開發、研究熔融還原煉鐵新工藝[3-5]。如奧鋼聯的COREX、韓國POSCO和奧鋼聯聯合開發的FINEX、澳大利亞的Ausiron和Hismelt、俄羅斯的ROMELT、日本的DIOS、美國的AISI、歐洲的CCF和CLEANMELT等。我國也早在上世紀60年代就開始展開熔融還原煉鐵工藝的研究[6]。

  作為一個鋼鐵大國,我國應該在熔融還原工藝方面有長遠的發展規劃和相應的投入。我國的鋼鐵總量、資源特點和環境壓力使熔融還原工藝有著非常廣闊的應用前景。

  1 國際熔融還原技術發展

  早在20世紀20年代世界上已經開始對熔融還原技術的研究,早期的研究大多采用一步法,由于難以克服在熔煉過程中高FeO熔渣對爐襯的嚴重侵蝕和能耗高的原因,所以都以失敗告終。

  20世紀80年代,發達國家(如德國、日本、美國等國)為謀求技術壟斷地位,搶占21世紀鋼鐵工業技術制高點,相繼投入大量人力、物力和財力,在國際上掀起開發煤基熔融還原煉鐵新工藝的浪潮。

  熔融還原工藝分為一步法和二步法:

  一步法工藝:Romelt,Ausiron,Hismelt和Hisarna工藝是采用一步法的典型工藝。這些工藝幾乎都沒有預還原過程,不能實現理想的逆向流動,而且由于壓力有限,要求氣體量要大,設備的容積要大[7-10]。

  在這些工藝中,礦石、熔劑和燃料被裝進同一反應器。所有的反應及礦石和熔劑的熔融都在這一反應器中發生。所需的能量大多數是通過含碳燃料氣化獲得。在反應器中礦石被還原,渣和鐵水靠重力分離。由于采用的是單一反應器,熔化和還原反應及氣化反應是發生在反應器的不同位置的。由于礦石被連續加入反應器中,渣中會含有很高的FeO,這抑制了脫硫,造成鐵損。渣中FeO含量高,對耐火材料的侵蝕也很嚴重,由于采用水冷卻板,導致了熱量損失,這些都是一步法工藝存在的問題。

  兩步法工藝:這些工藝生產金屬化率達100%的海綿鐵,然后在一個獨立的熔化爐里或一個整合的熔融段將海綿鐵熔化。這些工藝中以Fastmelt,ITmk3和以前的KR工藝較典型。采用的是逆向流動操作。

  熔融還原技術更趨于成熟、理性,技術的趨向更加集中,這就是主要采用二步法:預還原裝置主要是豎爐、流化床、轉底爐;終還原裝置主要有半焦填充床、鐵浴爐、電爐。熔融還原技術主要形成3大類型:一是以較高預還原度和半焦填充床為終還原爐相連接,低二次燃燒率的COREX、FINEX;二是低預還原度和豎式鐵浴爐相連接、高二次燃燒率的HIsmelt;三是以鐵碳球團通過轉底爐還原,連接電弧終還原爐的Fastmelt、Itmk3技術等[10-14]。

  1.1 工業化的COREX工藝

  迄今為止,可以進行商業化生產的只有COREX,上世紀70年代末形成該工藝的概念流程,由德國Korf公司和奧鋼聯(VAI)合作開發,1981年在德國克爾(Kehl/Rhine)建成了年產6萬噸鐵水的半工業性試驗裝置(即KR法),先后進行了6000小時的各種試驗,證明了工藝的可行性。1985年4月VAI與南非依斯科爾公司簽約決定在Pretoria廠建造一座C-1000型的COREX裝置,年產鐵水30萬噸,1989年11月10日正式投產。這是世界上第一套COREX熔融還原生產裝置。經過約一年半實踐,生產漸趨穩定,從1991年3月起已經可以高于設計能力10%穩定地運行。接著這一技術在世界上進一步推廣:第二套C-2000型COREX裝置(見圖1)于1995年11月在韓國浦項(POSCO)建成投產;第三套C-2000型于1998年12月在南非薩爾達納建成投產;第四、第五套C-2000型分別于1999年8月和2001年4月在印度京德爾公司建成投產。目前,除了第一套C-1000因原料運輸成本過高而關閉外,其余4套C-2000型COREX裝置都在生產運行中。2005年寶鋼向奧鋼聯引進COREX技術并進一步擴容為C-3000,將其設計產能從80萬噸擴大到150萬噸/年,于2007年11月8日出鐵,這將是世界上第一座大型的COREX煉鐵爐,也是第六套COREX-3000型COREX裝置(見圖3);2011年3月28日第二座COREX-3000型COREX裝置投產,這也是世界上第七座COREX-3000型COREX裝置。但是由于原料存儲、投資、技術掌握熟練程度等原因,其成本高于高爐。

  COREX技術發展至今移植大型高爐的成熟技術逐漸增多,如耐材配置、冷卻裝置、局部的爐型、布料方式等使其生產的穩定性大為提高,爐齡也有明顯延長,產能進一步擴大,技術正逐步走向成熟。工藝流程如圖2所示。主體裝置是預還原豎爐和熔融氣化爐。塊礦和球團加入到豎爐中,還原到90%以上的還原,通過螺旋排料器再進入熔融氣化爐進一步還原和熔化,最終生產出合格鐵水。主要指標為:綜合煤耗500~650公斤固定碳/噸鐵水,氧氣消耗500~600立方米/噸鐵,輸出煤氣的總能量為13G焦耳/噸鐵水。

  

 
 
   圖3 寶鋼COREX C-3000
  

  客觀分析COREX技術,其缺點主要體現在以下方面:

  a)生產效率偏低,設備利用系數僅為0.9噸/立方米.天,大大低于高爐的利用系數指標。其主要限制環節是預還原爐的生產效率偏低,造成預還原爐和終還原爐的生產效率很難匹配。

  b)對煤種有比較嚴格的限制,特別是煤種的結焦性、揮發份和固定碳等參數要有合理的搭配,為保持較高的作業率仍需要10~20%焦炭;c)只能使用高品位塊礦或球團礦,不能使用粉礦,原料來源受到限制。

  此外,鐵水質量和爐齡與大型高爐相比還有一些差距,設備要比高爐復雜,由于引進技術、設備等因素,因而投資也就相對略高,輸出副產煤氣的合理利用也成為其是否具有經濟競爭力的關鍵因素。

  1.2 進入示范性工廠試驗的Hismelt技術

  ……

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