寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部

引 言

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

轉(zhuǎn)底爐直接還原法屬非高爐煉鐵技術(shù)范疇，該技術(shù)以其原料適應(yīng)性強(qiáng)和操作工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，引起冶金界高度重視。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家在轉(zhuǎn)底爐發(fā)展過(guò)程中都相繼投入力量開發(fā)研究，進(jìn)行了大量的示范性試驗(yàn)和小規(guī)模生產(chǎn)試驗(yàn)，成功將轉(zhuǎn)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(yè)化生產(chǎn)廠。目前該技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并表現(xiàn)出較好的商業(yè)發(fā)展?jié)摿?，全世界建成和投產(chǎn)的具有工業(yè)規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐有30余座。

目前，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)工藝有Inmetco、FASTMET、IDI、DryIron和ITmk3 (第三代煉鐵法)等。雖然這些生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)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(shí)配加適量粘結(jié)劑，經(jīng)造球或壓球后加入轉(zhuǎn)底爐爐底，在溫度1200～1400 ℃的轉(zhuǎn)底爐環(huán)形爐膛旋轉(zhuǎn)一周后，含鐵原料被還原得到金屬化球團(tuán)或粒鐵，原料中的鋅、鉛、鉀、鈉、銀、銦、錫等元素通過(guò)煙氣收塵系統(tǒng)回收，得到高價(jià)值的粉塵。

1 國(guó)外轉(zhuǎn)底爐技術(shù)發(fā)展及工業(yè)化運(yùn)行現(xiàn)狀

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

1.1 Inmetco工藝

20世紀(jì)70年代，加拿大的國(guó)際鎳集團(tuán)-INCO公司先建成了一座直徑6.3 m的環(huán)形爐進(jìn)行合金鋼廢料的直接還原處理試驗(yàn)，獲得成功后，該公司成立國(guó)際金屬回收公司（Inmetco公司），并于1978年12月，在美國(guó)賓夕凡尼亞州Ellwood城建成了世界上第一座具有生產(chǎn)規(guī)模的轉(zhuǎn)底爐，命名為Inmetco法，此為首次利用轉(zhuǎn)底爐處理不銹鋼廠廢料生產(chǎn)DRI，并回收Z(yǔ)n、Ni、Cr等金屬。Inmetco法轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的DRI熱裝入電爐生產(chǎn)合金鐵水[3,4]。此外，此轉(zhuǎn)底爐用鐵精礦粉生產(chǎn)DRI，也取得了很好的效果。據(jù)稱，該轉(zhuǎn)底爐已正常運(yùn)行幾十年，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)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(tǒng)送過(guò)來(lái)的球團(tuán)通過(guò)擺動(dòng)皮帶機(jī)由加料溜槽加入轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，爐料厚度約1~2層，轉(zhuǎn)底爐旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)爐料的加料區(qū)、燃燒區(qū)后還原成海綿鐵，通過(guò)帶水冷的螺旋卸料機(jī)排出爐外裝入旋轉(zhuǎn)料盤上的儲(chǔ)料桶，然后送入6.2 MVA礦熱爐（直徑6.4m）進(jìn)行熔煉，熔煉后的鐵水經(jīng)鑄鐵機(jī)澆鑄成鐵塊。該工藝的特點(diǎn)為：該轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)由隔板分隔為加、排料區(qū)和燃燒區(qū)。燃燒區(qū)又分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)內(nèi)外側(cè)壁均配有不同數(shù)量的燒嘴，通過(guò)管道送入的燃?xì)馀渲伎諝馊紵a(chǎn)生的熱量來(lái)控制每個(gè)區(qū)的溫度，產(chǎn)生的約1100 ℃煙氣逆轉(zhuǎn)底爐旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)至球團(tuán)落料口附近的煙道排至煙氣除塵系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)底爐爐墻和爐床采用水封密閉，水封內(nèi)堆積的粉塵污泥等雜物用刮刀清理，爐床內(nèi)外測(cè)的外圍設(shè)置了多個(gè)刮刀。轉(zhuǎn)底爐出來(lái)的廢氣用來(lái)預(yù)熱助燃空氣，過(guò)剩的空氣可用來(lái)產(chǎn)生蒸汽和發(fā)電，每噸DRI可發(fā)電300~500 kWh。此外，該工藝過(guò)程中生球未經(jīng)干燥直接入轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行直接還原反應(yīng)。該轉(zhuǎn)底爐用于處理不銹鋼冶煉廢棄物時(shí)，年處理量為6萬(wàn)t，處理后金屬化球團(tuán)中鎳金屬化率約95%，鐵金屬化率約80%。

1.2 新日鐵技術(shù)

新日鐵公司在于1999年引進(jìn)美國(guó)的DRyIRON工藝技術(shù)，并獲得代理推銷權(quán)后，針對(duì)各種不同的鋼鐵廠粉塵進(jìn)行了有針對(duì)性的研發(fā)，形成了各種鋼鐵廠粉塵的轉(zhuǎn)底爐處理技術(shù)，包括以君津廠轉(zhuǎn)底爐為代表的高爐灰、轉(zhuǎn)爐灰和污泥處理轉(zhuǎn)底爐，以朝日工業(yè)廠轉(zhuǎn)底爐為代表的處理電爐灰的轉(zhuǎn)底爐，以及采用DRyIRON工藝處理不銹鋼粉塵和污泥的轉(zhuǎn)底爐。目前新日鐵技術(shù)已成為應(yīng)用范圍較廣的轉(zhuǎn)底爐技術(shù)之一，采用該技術(shù)的商業(yè)化轉(zhuǎn)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(guó)羅斯米德蘭有限公司（Midland Ross Co.）研發(fā)的Heat Fast工藝。 20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)羅斯米德蘭有限公司（日本神戶制鋼美國(guó)子公司米德雷克斯公司（MIDREX Technologies Inc.）的前身），因直接還原的回轉(zhuǎn)窯存在諸多問(wèn)題，首先提出了復(fù)合球團(tuán)（含鐵礦和碳還原劑）的轉(zhuǎn)底爐直接還原法。后來(lái)美國(guó)MIDREX技術(shù)有限公司研發(fā)出可同時(shí)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(xiàng)技術(shù)，于1995年在加古川制鐵所在建立了一座FASTMET法轉(zhuǎn)底爐示范性試驗(yàn)廠（該轉(zhuǎn)底爐于2001年經(jīng)改造后用于商業(yè)化生產(chǎn)），進(jìn)行了多組示范性試驗(yàn)，最終于2000年在日本新日鐵廣畑制鐵建成了第一座商業(yè)化應(yīng)用的FASTMET法轉(zhuǎn)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(qū)）建成了四座FASTMET法轉(zhuǎn)底爐，其中2008年在新日鐵廣畑制鐵所建設(shè)的轉(zhuǎn)底爐，是第一座實(shí)現(xiàn)FASTMET-HBI（Hot Briquette Iron）工藝的商業(yè)化轉(zhuǎn)底爐[7]。

此外，由于FASTMET工藝生產(chǎn)DRI脫硫能力差，DRI硫含量約為0.15-0.4%，所產(chǎn)的DRI金屬化率低，如直接用于煉鋼，會(huì)使渣量增加，造成煉鋼的能耗上升和產(chǎn)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(chǔ)上又研發(fā)了采用轉(zhuǎn)底爐與電弧爐或煤基熔爐雙聯(lián)生產(chǎn)熱態(tài)鐵水的工藝，即FASTMELT工藝。

圖 2為典型的FASTMET工藝流程圖(含F(xiàn)ASTMELT和FASTMET-HBI工藝)，圖 3為FASTMET工藝轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)反應(yīng)簡(jiǎn)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(guó)Midrex公司聯(lián)合開發(fā)，并在20世紀(jì)90年代中后期取得了突破性的進(jìn)展，ITmk3工藝與FASTMET工藝類似，所不同的是，它把工藝過(guò)程中還原溫度精確控制在Fe-C平衡相圖中一個(gè)固定固液共存的新區(qū)域（約1350-1450 ℃）。在這一溫度范圍內(nèi)，含碳球團(tuán)礦被還原和熔化，鐵水從渣中分離出來(lái)，整個(gè)過(guò)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(chǎn)3000t（生產(chǎn)率為0.35t/h）的中試廠，轉(zhuǎn)底爐外徑為5m，內(nèi)徑3.2m，并在同年10月及2000年12月分別完成了2次生產(chǎn)測(cè)試，其工藝設(shè)計(jì)得到了實(shí)際驗(yàn)證。2003年5月神戶鋼鐵與美國(guó)動(dòng)力鋼公司合資在美國(guó)投建了2.5萬(wàn)t/年示范工廠，轉(zhuǎn)底爐直徑14m，并連續(xù)運(yùn)行一年于2004年7月結(jié)束，期間產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

2007年末美國(guó)動(dòng)力鋼公司（占85%）與神戶鋼鐵公司達(dá)成協(xié)議在明尼蘇達(dá)州的Mesabi Nugget公司建設(shè)首座ITmk3商業(yè)化工廠，設(shè)計(jì)年產(chǎn)50萬(wàn)t粒鐵（估計(jì)產(chǎn)能為43萬(wàn)t粒鐵），轉(zhuǎn)底爐直徑60m（內(nèi)徑50m）。該廠于2010年1月正式開始商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，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(chǎn)的粒鐵的鐵含量可達(dá)到97%。2010年產(chǎn)量為7.5萬(wàn)t粒鐵，2011年產(chǎn)量為15.9萬(wàn)t粒鐵，2012年產(chǎn)17.8萬(wàn)t粒鐵，2013年產(chǎn)21.4萬(wàn)t粒鐵，2014年產(chǎn)24.1萬(wàn)t/粒鐵，該生產(chǎn)線由于金屬回收利潤(rùn)減少、市場(chǎng)前景低于預(yù)期等問(wèn)題，美國(guó)動(dòng)力鋼公司決定從2015年5月份起長(zhǎng)期停產(chǎn)[10,11]。

 
 

1.5 DRYIRON法

20世紀(jì)90年代，美國(guó)莫米研究和工程公司（MR&E，Maumee Research & Engineering）與羅杰鋼公司（RSC）聯(lián)合開發(fā)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(tǒng)和壓塊系統(tǒng)等，工藝流程圖如圖5所示[12]。在脫鋅和回收鐵的同時(shí)，還回收了廢料中的鎳、鉻等合金成分，并根據(jù)這些廢料含水量大、含碳很少的特點(diǎn)，對(duì)工藝作了適當(dāng)改進(jìn)，即對(duì)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(zhuǎn)底爐爐內(nèi)反應(yīng)溫度為1160~1290 ℃，爐內(nèi)停留時(shí)間15 min，所得DRI產(chǎn)品用于電爐和AOD爐。

 

1.6  IDI工藝

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