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冶金生产焙熔还原炼铁技术的具体应用情况程序粉丝机

万润机械网 2019-11-07 11:39:47

焙熔还原属于熔融还原的范畴,前面去掉了高炉流程的焦化和烧结两道热态工序;同时后面取消了一般炼铁方法设置的能量回收装置如发电装置,煤气脱除CO2后循环利用等后续措施。整个流程简单到只有磨煤和成球两道冷态原、燃材料准备工序和炼铁工序。冶炼的低碳铁水供给炼钢工序。转炉产生的余热回收用于球团烘干,已由铁水中碳列入能耗。

据称焙熔还原是一种全新机理的熔融还原炼铁技术。该技术将煤的还原剂作用和热能作用分开,按照各自的需要量从不同的部位将煤输入炼铁系统,能量在系统各环节内部循环利用,实现煤化学能的完全释放和全部吸收消化、转换。其炉顶煤气的一氧化碳利用率CO2/(CO+CO2)接近100%,温度在150℃以下,煤耗为10.32GJ/t铁~10.48GJ/t铁,二氧化碳排放量为1145kg/t铁。这是现在全世界唯一不设焦化厂、烧结厂,不采用能量回收和循环利用脱除CO2 煤气等措施的一种紧凑、简洁和安全的超低能耗和超低CO2排放炼铁技术。

焙熔还原技术是包括原料、装置、操作和自动控制等在内的一套完整工程系统。这项技术不是一个单元技术,而是一个工厂系统。

采用一种专用的复合含碳球团作为炉料是该技术的重要特征之一。复合含碳球团的结构由铁氧化物外层和含碳铁氧化物内核组成,球团内核的配碳量低于球核中铁氧化物由四氧化三铁直接还原到铁的化学反应当量。形象地说是一个普通含碳球团包裹在一个氧化球团生料之中的“包心汤圆”。含铁原料采用的是铁矿粉,无论是从外国进口铁矿粉,还是将来由我国低品位矿石供给,这种含铁原料只能是经过富集选矿产出的铁精矿,因而具有广泛的适应性和可持续性,非常值得像鞍钢一样缺少块矿的钢铁企业采用。

复合含碳球团的制备技术和设备已经是非常成熟的技术,在氧化球团厂工艺内部加一道二次成球工艺即可,这对将来替代高炉炼铁保留氧化球团厂,减少投资又是一个极大优势。

2) 专用设备装置,焙熔还原技术专用设备装置由焙熔还原炉、中间熔体存储炉、终还原炉、燃烧炉(煤粉旋风燃烧炉)及各炉之间的密封管道连结件构成的炼铁内部循环系统组成。

3) 焙熔还原的具体步骤,复合含碳球团制备后提升到焙熔还原炉顶平台,从上部加料口进入炉内空间形成填充床。类似于氧化球团竖炉的焙烧过程,不同之处物料在炉底以熔化的熔体排出。复合含碳球团在逆流加热中完成干燥、预热、还原反应和随即熔化。以液相排入中间熔体存储炉。焙熔还原由此得名。熔体在重力作用下在中间存储炉中第一次分离出已经还原金属化60%~65%的铁水。分离铁水后的熔渣排入终还原炉。含铁35%~40%熔渣中液态FeO继续在终还原炉进行最终还原。终还原的渣铁水由炉子下部排出、二次燃烧气体产物由炉子上部炉顶排入煤粉旋风炉的燃烧室。在煤粉旋风燃烧炉燃烧室中,同时进入的空气、煤粉和终还原的二次燃烧产物气体等三股流体混合后高速旋转燃烧,再由旋风炉喷管进入燃烬室进行100%的完全燃烧,形成的1550℃~1680℃高温气体进入焙熔还原炉的底部,逆流上升向物料提供焙熔还原所需的全部热量。

1.3 焙熔还原的冶金原理,1) 焙熔还原的冶金原理是基于研发者提出的无过剩能量产出冶金法。钢铁冶金是一种高温状态下的可逆化学反应,目的是从铁矿石中提取铁元素。

碳与空气中氧燃烧产生热能,维持反应容器内部的高温环境和加热反应物到反应温度,燃烧生成气体可作反应气体参加冶金反应。碳在传统高炉流程中还充当炉内高温骨架作用和铁水渗碳。钢铁冶金的实质是碳冶金。碳是一种能量载体,与氧燃烧释放化学能,转换为热能。碳不完全燃烧时产生气体CO,释放能量为9800kJ/kg碳,完全燃烧时产生气体CO2,释放能量为33410kJ/kg碳,所以CO也是能量载体。

现有技术中任何一种炼铁方法排出反应容器的气体产物中都含有大量过剩CO或者高温气体,也就是产出过剩能量。为了降低能耗,被动式的采用循环方式利用过剩能量,实属无奈之举。普遍采用的方式是建设发电厂,以利用焦炉煤气和高炉煤气。脱除煤气中的CO2后循环返回竖炉也是一种方法,甚至拓展钢铁厂功能建化工厂和化肥厂来利用这些过剩能量。值得注意的是循环经济不是为了循环而循环,基建投资、设备投资、运行和维护等新投入的经济成本增加,工艺设备链条的增长造成可靠性与安全性的降低。回收效率低的问题也不能回避,小型发电厂的效率不会高于35%,那65%的不可回收部分到哪里去了?一个严重问题是这些大量的过剩能量载体CO不管怎么回收,最后还要变为温室气体排入环境大气中加剧危害程度。再一个问题是炼铁用的洗精炼焦煤和优质块煤是煤炭资源精品中的精品,用这种煤产生的煤气来发电,比较浪费。国家发改委把循环经济的三个原则中减量化原则排在第一位,无不具有哲理性。

2) 传统钢铁冶金对过剩能量的依赖性是不可克服的,冶金反应的各个环节靠能量推动,为了获得高生产效率更离不开过剩能量。各个环节对能量的需求量往往是不相等的,相关联两个环节需求量大者对需求量小者形成过剩。如果能量需求量小的环节位于反应容器能量流的出口处,这种过剩就是产出的过剩能量。碳燃烧生成CO关联着提供的热量和还原剂两个环节。间接还原时还原气体关联着热力学平衡气相成分和气体产物两个环节:

Fe3O4+mCO=3FeO+(m-1)CO+CO2;

FeO+nCO=Fe+(n-1)CO+ CO2;

其中m和n为过剩系数。熔融还原分阶段进行,在预还原与终还原过程中m和n两个过剩系数相关联。

3) 焙熔还原的冶金原理是把两个能量相关联的环节分开并建立中间环节,利用阻隔、接受、吸收、补充、调节和供应等功能,突破和降低冶金反应热力学上的限制。达到反应系统内部各环节输入的能量充分利用、直接利用和完全利用,从源头上、根本上和基础上把钢铁冶金能耗逼近极限耗能。

4) 焙熔还原技术的第一个措施是把煤的还原剂作用和热能作用分开,在预还原炉和终还原炉中间设置燃烧系统。这个燃烧系统包括终还原炉的上部二次燃烧空间、旋风燃烧炉的燃烧室和燃烬室。燃烧用煤按照全部工艺热耗和直接还原吸热的需求量输入,分别向终还原和预还原两头提供热量,终还原二次燃烧的剩余化学能和热量进入旋风燃烧炉的燃烧室迭加于同时输入的煤混合旋风燃烧再进入燃烬室完全燃烧,100%释放化学能后再提供给焙熔还原炉。按照各自的需求量将作为还原剂的煤分别输入预还原的复合含碳球团的球核中与终还原炉的铁水中和熔渣上层。输入终还原环节的煤位于能量流的起点,该环节消耗后的剩余能量全部无损失地交给燃烧环节接收,间接实现能源的100%利用。

5) 焙熔还原技术的第二个措施是设置复合含碳球团的铁氧化物外层这个多功能中间环节。作为阻隔功能,把焙熔还原炉中的主气流氧化气氛环境和球团内部的还原气氛环境分开。突破热力学上在一个反应容器或一个区域的氧化气氛中不可能进行还原反应的限制。为燃烧系统的完全燃烧提供了前提条件。作为吸收功能:球团的外层本来也是需要还原的铁矿粉,在保护球核不受外界干扰得到充分还原的前提下,球核的直接还原气体产物CO在内部压力梯度和指向作用的驱动下向球体表面强制扩散和流动。球团外层被流过的CO间接还原,对球核产生的剩余能量进行吸收。作为供应功能:球团外层通过传导方式向球核提供升温和还原吸热的热量。作为单向开关功能:由于球核的直接还原气体产物CO的单向流动,球团外层的间接还原不遵循化学反应平衡,反应气体产物CO2随即被带出反应区域。反应点或区域补充上来的是新还原气体CO,FeO+nCO=Fe+(n-1)CO+CO2的正反应和逆反应被分开,过剩系数n远小于相应温度下热力学上的取值,这又是一个热力学上的突破。

6) 焙熔还原炉中的热量供应方式是对流传递方式,具有很高的热效率。配入复合含碳球团内核的还原剂含碳量小于球核中四氧化三铁直接还原到铁的反应当量。整个球团Fe2O3→Fe3O4所需的CO还原剂量由球核还原剂经自身直接还原消耗和球团外层间接还原消耗后的剩余量来填补。到此时,整个炼铁工序碳冶金过程完成。能量流的出口处,炉顶气流中无CO或极少CO。CO的利用率(CO2/CO+CO2)接近100%。炉顶气流中只剩150℃以下的物理热,其值为0.209GJ/t铁。

7) 焙熔还原技术的另一个中间环节是预还原炉与终还原炉之间的中间熔体存储炉,把金属化65%的含碳量在1%以下的铁水分离出去,不接受终还原的渗碳。减少熔碳损失23kg/t铁,也减少了下一步炼钢工序的脱碳负荷。节约炼钢吹氧40Nm3/t铁。

2 温室气体直接排放量,炼铁工序和炼钢工序产生的炉渣完全可以作为制造水泥的原料。同其他炼铁计算方法一样,加入炼铁原料中的碳酸盐所分解的二氧化碳,从再利用资源化的循环过程中扣除。焙熔还原技术由煤直接产生的吨钢温室气体排放量为:312.2×44/12=1144.73kg/t钢。

焙熔还原的吨铁煤耗指标为10.32 GJ/t铁~10.48GJ/t铁,折合标准煤352.58 kg ~358.05 kg。目前运行的COREX技术的煤耗大约23GJ/t铁;HISMELT工厂生产作业记录其最低煤比为810kg/t铁,平均用煤发热值为30.475GJ/t铁,煤耗为24.685GJ/t铁;焙熔还原技术的煤耗不到这两种世界级还原技术的一半。可以将这种新兴的熔融还原流程与传统的高炉流程进行比较。上海宝钢高炉指标:焦比286kg/t铁,煤比193kg/t铁,炼焦用洗精炼焦煤286.4×1.4=400.4kg,共用精煤593kg/t铁。焙熔还原技术与之相比少用煤233kg/t铁,约为39.2917%。武钢高炉指标:焦比363kg/t铁,煤比133kg/t铁,共用精煤363×1.4+133=641.2kg/t铁,焙熔还原技术与之相比,少用281.2 kg/t铁。与以上两家钢铁集团的高炉指标相比,平均少用煤为257.1 kg/t铁。中国每年生产4.047亿t铁水,倘若焙熔还原技术替代全国的高炉炼铁技术,可节约洗精炼焦煤1.04亿t。现在每吨洗精炼焦煤约为1350元,由此可知每年可节省1404.6亿元。按每吨1000元的改造成本计,用3年节约的煤价值足以改造全国传统高炉设备系统。

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