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高爐改造成HIsmelt熔融還原爐的可行性分析

2019-01-31   作者:佚名   網(wǎng)友評論 0

HIsmelt工藝是清潔高效的前沿?zé)掕F技術(shù),相比高爐工藝,具有原料適應(yīng)性強、低碳清潔、生產(chǎn)效率高、流程簡單、操作靈活等優(yōu)勢,符合我國對鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)和要求。
   閆方興 ,曹朝真,孟玉杰,梅叢華,章啟夫,毛慶武

北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司  北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心

  1引言

  目前,高爐流程仍然是鋼鐵工業(yè)的主要煉鐵工藝,但是隨著鋼鐵工業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的大力推進和環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格,面臨自然資源短缺、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理和環(huán)保升級等嚴(yán)峻挑戰(zhàn),其可持續(xù)發(fā)展面臨著較大的問題。2016年以來,國家工信部、生態(tài)環(huán)境部等部委相繼發(fā)布多項文件通知,加快鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級,加大落后產(chǎn)能壓減力度,嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)能置換實施辦法;加快推進鋼鐵企業(yè)實施超低排放改造,嚴(yán)格控制焦化、燒結(jié)等工序的污染物排放[1-3]。此外,地方政府也紛紛出臺相應(yīng)政策響應(yīng)國家環(huán)保要求,打響藍天保衛(wèi)戰(zhàn)。河北和河南兩地開始試點實施鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn),要求燒結(jié)機頭煙氣、球團焙燒煙氣在基準(zhǔn)含氧量16%條件下,顆粒物、二氧化硫、氮氧化物分別不高于10、35、50mg/Nm3;江蘇省人民政府于2018年8月發(fā)布《關(guān)于加快全省化工鋼鐵煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級高質(zhì)量發(fā)展的實施意見》,2018年底前,沿江地區(qū)和環(huán)太湖地區(qū)獨立焦化企業(yè)全部關(guān)停,其他地區(qū)獨立煉焦企業(yè)2020年前全部退出。

  國家大力推進企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,提高鋼鐵工業(yè)自主創(chuàng)新能力,鼓勵開發(fā)非高爐煉鐵技術(shù),圍繞品種質(zhì)量、節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)等重點,加快應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新裝備。因此,鋼鐵工業(yè)必須不斷采用新的、更加靈活的技術(shù)以適應(yīng)當(dāng)今瞬息萬變的市場需求。未來煉鐵技術(shù)必須在高效低耗、節(jié)能減排、低碳清潔、智能集約、綠色發(fā)展等方面取得顯著突破。HIsmelt工藝是典型的“一步法”熔融還原工藝,可以完全不使用焦炭,無需焦化和鐵礦粉造塊,具有原燃料適用性強、生產(chǎn)效率高、工藝流程簡潔、操作靈活、低碳環(huán)保等特點,在當(dāng)前鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和淘汰置換落后過剩產(chǎn)能的關(guān)鍵時期,研究將中小高爐系統(tǒng)升級改造成HIsmelt系統(tǒng)具有重大的意義。

  2 HIsmelt生產(chǎn)實踐

  HIsmelt技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代初的德國煤氣化爐,歷經(jīng)20年的發(fā)展,2005年在澳大利亞建成了設(shè)計年產(chǎn)能80萬t鐵水的全球首座HIsmelt工業(yè)化示范工廠,工業(yè)生產(chǎn)一直延續(xù)到2008年12月因金融危機停產(chǎn)。2012年,力拓公司與中國公司簽訂授權(quán)協(xié)議,在中國山東建設(shè)HIsmelt工業(yè)化工廠,首鋼國際工程公司作為HIsmelt 技術(shù)的授權(quán)工程商,承擔(dān)了該項目的核心工廠設(shè)計工作。該項目已于2016年8月建成投產(chǎn),至今運行穩(wěn)定,最長連續(xù)穩(wěn)定運行時間超過4個月,平均作業(yè)率達到88%,在生產(chǎn)成本、環(huán)保等方面與高爐工藝相比具有顯著優(yōu)勢[4-7]。

  HIsmelt工藝流程見圖1。HIsmelt工藝的核心部分是熔融還原爐(SRV爐),鐵礦粉(<6mm)經(jīng)過預(yù)熱和預(yù)還原,礦粉預(yù)熱溫度750℃,預(yù)還原度大于30%;煤粉(<3mm)與通過獨立噴吹系統(tǒng)輸送的石灰一起,匯入SRV側(cè)壁上的水冷噴槍,與礦粉、白云石等一起噴入SRV 爐熔池,煤粉在高溫下迅速形成C顆粒,部分熔入金屬熔池,使鐵水增[C];另一部分與礦粉共同卷入爐渣,在熔渣內(nèi)完成還原反應(yīng):C+FeO=Fe+CO,同時氣流帶動渣鐵液滴噴濺形成HIsmelt工藝特有的“涌泉”現(xiàn)象。生成的高溫煤氣與熔池上部噴入的富氧熱風(fēng)進行二次燃燒,釋放大量的熱量,加熱被氣流攜帶的大量液滴和碳顆粒,加熱后的液滴和碳顆粒回落到熔池中,從而依靠輻射和對流將熱量傳到熔池中,補償?shù)V石冶煉、造渣等反應(yīng)吸收的熱量[8,9]。

 

  3高爐工藝系統(tǒng)改造成HIsmelt工藝系統(tǒng)的可行性研究以某鋼廠1080m3高爐為例,設(shè)計產(chǎn)能90萬噸/年,其高爐系統(tǒng)包括噴煤制粉系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、高爐本體系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)、風(fēng)口平臺、出鐵場系統(tǒng)、渣處理系統(tǒng)、粗煤氣系統(tǒng),目前處于停產(chǎn)狀態(tài)。HIsmelt工廠主要由礦粉預(yù)熱和預(yù)還原、煤粉制備、礦煤噴吹、SRV 爐本體、煤氣處理、渣鐵處理、燃氣鍋爐、熱風(fēng)、煙氣脫硫等系統(tǒng)組成,直徑6m SRV爐的產(chǎn)能80萬t/年,二者生產(chǎn)能力接近,本文探討將1080m3高爐改造成6mSRV爐系統(tǒng)的可行性。

  3.1 可以利舊的設(shè)備和設(shè)施

  原高爐區(qū)域具有完善的道路運輸設(shè)施,包括原燃料運輸、鐵水運輸?shù)?,以及原料、煤粉存儲設(shè)施,包括儲煤場、礦倉、煤倉等。高爐噴吹用煤所需的原煤經(jīng)火車由廠外運入儲煤場儲存,儲煤場占地面積6500m2,儲煤量為14000t,可以滿足SRV爐200h的噴煤量(SRV爐噴煤量約70t/h),故原煤的的運輸、儲存的設(shè)施,基本滿足要求;高爐礦粉料倉可以用來改造為HIsmelt礦粉倉,可以節(jié)省部分投資。原鐵水運輸采用100噸鐵水罐運輸,有完善的鐵水運輸網(wǎng)和控制信號,與現(xiàn)有的煉鋼車間、罐庫可以便捷的連接。故機車、鐵水罐、鐵路、信號控制、鐵水稱量等設(shè)施都能夠利舊,僅需根據(jù)總圖布置情況,局部修改鐵路布置。經(jīng)估算,以上設(shè)施直接或經(jīng)過合理的改造后基本可以實現(xiàn)100%利舊,可以節(jié)省投資約3000萬元以上。

  高爐和HIsmelt工藝均需鼓入熱風(fēng),因此都要需配備熱風(fēng)爐系統(tǒng)。該廠高爐配置3座頂燃式熱風(fēng)爐,引進俄羅斯卡盧金頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù),設(shè)計風(fēng)溫1250℃。HIsmelt工藝中鼓入鐵浴爐的熱風(fēng)溫度1200℃,含氧35~42%,風(fēng)量約140000Nm3/h,而高爐鼓風(fēng)富氧率設(shè)計值3%,風(fēng)溫1250℃,風(fēng)量145000 Nm3/h,二者風(fēng)量和風(fēng)溫相近,只有富氧率相差較大,因此,需要根據(jù)工藝要求調(diào)整工藝參數(shù),平衡全廠氧氣供應(yīng),同時對現(xiàn)有熱風(fēng)爐部分設(shè)備進行相應(yīng)的改造,以滿足鐵浴爐對熱風(fēng)的要求。因此,高爐的熱風(fēng)爐系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑炜梢宰畲蟪潭鹊睦迷谛鹿に嚿?,該部分可以?jié)省投資約8000萬。

  在HIsmelt工藝流程中,煤氣除塵系統(tǒng)中采用環(huán)縫洗滌器作為其核心設(shè)備。該設(shè)備將高溫降溫、除塵和煤氣壓力調(diào)節(jié)三個功能集于一身,故結(jié)構(gòu)非常緊湊[10]。原1080m3高爐煤氣除塵采用的是重力除塵器-一文和二文-脫水器-TRT(減壓閥組)的工藝流程,可以將此系統(tǒng)的部分設(shè)備應(yīng)用到在HIsmelt工藝流程中。原則上脫水器以及原有的污泥處理系統(tǒng)是可以充分利用的。另外,可以充分利用廠區(qū)現(xiàn)有的煤氣管網(wǎng)、煤氣柜、煤氣放散系統(tǒng)等,能夠節(jié)省投資1200萬以上。另外爐前除塵設(shè)施(可以兼顧脫硫的除塵),以及部分礦粉輸送的除塵利舊,可以節(jié)省的投資2000萬元以上。

  HIsmelt工藝流程中SRV爐產(chǎn)生大量高溫煤氣,約為220000Nm3/h,目前主要用途為一部分干燥預(yù)熱礦粉,剩余的采用鍋爐燃燒煤氣發(fā)電,利用流程見圖2。該廠1080m3高爐配置有汽動鼓風(fēng)機,消化了全廠的部分富裕煤氣,為了全廠的煤氣利用,實現(xiàn)煤氣零放散,還建有CCPP發(fā)電項目。故為了進行煤氣回收的煤氣管網(wǎng)、燃燒煤氣鍋爐、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)、汽動鼓風(fēng)機、發(fā)電等設(shè)施都是完整的,可以利用部分設(shè)施,能夠節(jié)省的投資8000萬元以上。

  

  ……

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