菱铁矿煤基回转窑直接还原-低阶煤提质一体化试验研究

2018-08-27 作者：佚名网友评论 0 条

我国菱铁矿资源具有“贫、细、杂”的特点，常规选矿方法不能对其进行有效分选；同时，我国低阶煤通常被用作低级燃料直接燃烧使用，导致严重的大气污染，因此，研究国内复杂难选铁矿石及低阶煤资源地高效清洁利用，将具有重要的现实意义。

朱德庆1 ，石玥1，潘建1，罗艳红2，鲁胜虎1
（1.中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉430081）

       近年来，我国钢铁工业发展迅速，2016年的粗钢产量已占世界总产量49.6 % [1]，连续20年居世界第一，但是铁矿的对外依存度逐年增加，2017年进口铁矿石达10.75亿吨[2]，因此，合理提高我国铁矿石的自给率、开发利用国内复杂难选低品位铁矿资源势在必行。我国菱铁矿已探明储量18.34亿t [3]，但其采、选、冶难度大，目前的开采量不足储量的10%[4]。另一方面，我国能源结构特征是“富煤、少油、缺气”，以燃煤为主，其中低阶煤资源达5612亿t，占已探明储量的55 %[5]。由于低阶煤的开发利用受到限制，约80%被用作低级燃料直接燃烧使用，因此，清洁利用低阶煤资源成为当前能源界关注的重点[6-7]。

        基于菱铁矿的特点和性质，其开发利用工艺主要分为四大类：常规选矿工艺、烧结球团工艺、磁化焙烧工艺和直接还原工艺。常规选矿工艺主要有重选、强磁选和浮选，但由于无法直接获得合格精矿产品，通常只作为预处理或辅助作业工艺[4,8]；烧结球团工艺经大量学者研究证明，仅能以低配比参与生产或用于中、小高炉冶炼[9]，无法大规模使用；磁化焙烧工艺作为目前处理菱铁矿的主流火法工艺，仍存在投资大、能耗高和生产环境恶劣等问题[8,10]；直接还原工艺在各项研究中都表现出良好的应用前景，是当前研究的重点[11-12]。目前我国低阶煤综合利用的主要方向是以热解为先导与其他工艺组合形成多联产技术[13]，同时也有学者提出与煤间接制油、制甲烷气、褐煤制腐殖酸、洁净发电等组合成为联合工艺，实现低阶煤的提质多联产[14]。

       本文以典型难选的低品位菱铁矿和难利用的低阶煤为对象，开展菱铁矿直接还原与低阶煤提质的一体化工艺研究，拟与常规选矿工艺结合，获得优质的直接还原铁粉及半焦产品。

1 试验原料及研究方法

1.1 试验原料

        研究所用铁矿石为新疆某菱铁矿块矿，使用新疆褐煤和神府烟煤两种低阶煤作为还原剂、某石灰石为脱硫剂。

1.1.1 菱铁矿

       菱铁矿化学成分分析如表1所示，可知，与纯菱铁矿的理论铁含量48.2 %相比，该菱铁矿铁品位较低，仅为35.43 %；脉石矿物含量高，其中SiO2和CaO含量分别为10.75 %和4.91 %；有害元素磷的含量较低，但硫含量偏高，为0.24 %；由于菱铁矿属碳酸盐矿物，其烧损LOI高达28.89 %。由于研究需要，试验中将菱铁矿块矿破碎至5-25mm使用。

表1 菱铁矿化学成分分析/wt%

对菱铁矿原矿进行物相分析可知，该菱铁矿的矿物组成较为单一，含铁矿物主要为菱铁矿，含量60.26 %，脉石矿物主要为石英(12.18%)和方解石11.78%，同时含有少量白云石(4.41%)。

1.1.2 低阶煤

分别对试验所使用的新疆褐煤及神府烟煤进行了工业分析、灰分成分分析和灰渣软融特性，结果如表2-表4所示。研究指出^[15]，用于回转窑直接还原的煤一般要求固定碳含量高于50 %，挥发分30 %左右，灰分以小于10 %最优，全硫含量低于1 %，焦渣特征不超过2，为避免出现结圈现象，一般要求灰分熔点大于1150 ℃。可知，新疆褐煤和神府烟煤均适合作直接还原用煤。

表2 还原剂工业分析（%）

注：FCad—空气干燥基固定碳； Vad—空气干燥基挥发分；Aad—空气干燥基灰分；Mad—空气干燥基水分；St.ad—空气干燥基全硫。

表3 还原剂灰分中主要化学成分(wt%)

1.1.3 脱硫剂

在回转窑温度条件下达到平衡时，由于菱铁矿原矿和还原煤中的硫在高温下会生成气态硫化物和单质硫，同时新生金属铁的吸硫能力强，极易吸收此类物质，因此适宜比例的脱硫剂十分必要。本研究使用某石灰石作为脱硫剂， CaO含量51.83 %，烧损LOI 40.04 %。研究指出[16]，脱硫效果受脱硫剂粒度组成影响，试验中将脱硫剂破碎至-5mm使用。

表5 原料粒度组成/wt%

1.2 试验方法

试验工艺流程如图1所示，扩大试验所用设备为中南大学自主研制的Φ1000×500 mm间歇式回转窑。试验主要流程如下：首先将窑内温度升至所需焙烧温度停窑，将20~30 Kg菱铁矿和三分之一的低阶煤一起快速投入加料口后继续升温，约40min升至所需温度；然后开始恒温计时，每间隔约10 min陆续加入其余低阶煤（加入量按所需C/Fe计算），剩余三分之二低阶煤需在预定时间分15次左右全部加入；还原结束后将焙烧矿快速卸入冷却罐中通氮气冷却，产品破碎至-10 mm进行干式磁选，粗精矿再破碎至-1 mm进行球磨、湿式磁选。对产品进行化学分析和粒度组成分析，同时对非磁性物使用SDTGA 5000型工业分析仪进行分析，探究其利用价值。

图1 菱铁矿煤基直接还原-低阶煤提质一体化工艺流程图