高产高效多喷孔回转窑煤基直接还原技术研究

2021-03-16 作者：佚名网友评论 0 条

非高炉炼铁技术被列入《国家产业结构调整指导目录》的钢铁行业鼓励类项目中，世界直接还原铁（DRI）产量超1亿吨

胡兵1,2，胡超3，贺新华1,2，黄柱成4，易凌云4，曾辉1,2

1. 中冶长天国际工程有限责任公司，2. 国家烧结球团装备系统工程技术研究中心， 3. 武汉科技大学资源与环境工程学院，4. 中南大学资源加工与生物工程学院

直接还原炼铁法是在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石炼制成铁的工艺过程，即直接还原铁（DRI）。直接还原铁的生产根据还原剂的不同可分为两大类，一类是以天然气为还原剂的气基直接还原工艺，另一类是直接用煤作为还原剂的煤基直接还原工艺。由于我国天然气资源相对匮乏，仅占世界存储量的1.5%，发展气基直接还原无法依赖天然气，但是我国煤炭资源丰富（占煤储量65.5%），为发展煤基直接还原铁提供了条件，所以国内主要使用的是煤基直接还原工艺，主要有隧道窑工艺、回转窑工艺、和转底炉工艺[1]。

回转窑煤基回转窑法技术成熟，在资源适宜、中小规模需求条件下是可供选择的方法，但是传统回转窑对燃料要求高、温度场分布不均匀、难以准确测量物料温度、容易出现结圈现象，而多孔回转窑技术与回转窑精准测温技术则有效避免了这些缺陷。本文将主要介绍以海砂矿为原料非焦煤为还原剂，结合低温快速选择性直接还原技术与回转窑精准测温技术的多孔回转窑煤基直接还原铁工艺。

1 海砂矿低温快速选择性直接还原技术

海砂矿属于多金属伴生矿，通常含有钛磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿等金属矿物，随着矿石开发的逐步扩展和钒、钛价值的不断攀升，开采成本低廉、储量丰富的海砂矿已经成为钒、钛资源的重要组成部分，愈来愈受各国的青睐[2]。

1.1 原料改性与组元预富集技术

对海砂矿进行SEM观察，其微观结构如图1所示，海砂结构致密、多组元均质分布，这导致了还原分离难度大，研究发现对海砂矿进行预氧化改性处理，能够优化物相组成、形成多孔结构，从而改善还原传质条件，与此同时元素在局部出现预富集现象，能够改善组元分离条件。由图2知，在800℃条件下对海砂矿进行预氧化处理后发现，氧化矿中的主要成分为钛磁铁矿、钛赤铁矿、辉石以及少量的Fe2TiO5；随着预氧化温度提高Fe2TiO5的含量也不断提高，当温度达到1100℃时钛磁铁矿逐渐被氧化成钛赤铁矿；预氧化时间时间延长至90min，钛赤铁矿和Fe2TiO5的衍射峰强度逐渐增强，钛磁铁矿的衍射峰消失，辉石的衍射峰强度逐渐减弱。

的金属化还原; 温度高于1066 K，CO分压>0.95，可实现海砂矿钒铁尖晶石中铁的金属化还原；温度高于1137 K，CO分压>0.993，VC可以开始生成；温度高于1160 K，CO分压>0.996，VO可以开始生成；温度高于1180 K，CO分压>0.997，V2C可以开始生成；温度高于1314 K，CO分压>0.999，V可以开始生成在固态还原温度范围TiO2不能被还原；通过控制钒氧化物的还原，选择性还原铁氧化物为金属铁，可以实现铁与钛/钒的分离，含钒铁氧化物中钒的还原产物优先顺序依次为V2O3、VC、VO、V2C、V。

1.3 金属相发育强化技术

低温、快速还原不利于铁晶粒的发育生长，影响后续分离效果，研究发现在还原过程后期引入微波场，微波作为一种加热手段，具有以下特点：①快速性，微波加热使被加热物本身称为发热体，不需要热传导的过程，内外同时加热，因此能在短时间内达到加热效果；②高效性，微波加热是内部“体热源”，它并不需要高温介质来传热，90%以上的微波能被物料吸收转化为热能；③上下一致性，加热过程在整个物体内同时进行，升温迅速、温度均匀、温度梯度小，是一种“体热源”，避免了传统加热中固相的“冷中心”；④ 选择性，所以不同物料由于其自身的介电性质不同，其对微波的反应也不相同；⑤无污染性，微波加热所用能源为电能，对环境没有污染；⑥活化性，微波加速了反应的进行，降低了反应的活化能，使得反应温度降低，时间缩短；可以加快材料的致密化程度和晶体颗粒的聚集长大[3]。如图5，微波可以对矿物进行储能，促使了铁晶粒的迁移、聚集、长大，能够强化铁的深度金属化及其发育生长，为后续组元分离创造良好矿物学条件。

1.4 钒定向迁移富集调控技术

钒在渣相的富集与铁金属化还原是一对矛盾关系，基于钒的相际迁移分配规律以及合成固钒添加剂增大铁/钒还原差异性，重点研究还原过程钒的定向迁移富集调控方法。由图6可知随着碳铁摩尔比的增加渣相中的钒含量也会随之变高当mol（C/Fe）为1.4时V含量可以达到0.35%，但是Ti含量会先随着碳铁摩尔比的增加而减小，当mol（C/Fe）为1.0时Ti含量达到最低值0.36%，之后随着碳铁摩尔比的增加Ti含量又会迅速提高。

2 多喷孔回转窑技术

多孔窑(见图8)的主要原理：燃料和空气通过较为简单的阀门组和管路系统喷入窑内，多孔的设计方式允许通过在窑长度方向的有选择的放置空气或燃料管道，从而来对工艺流程进行精确的控制。作为控制温度的媒介，空气从料床上部喷入，当提高空气喷入流速时，窑内温度将升高，反之温度将降低。为了对原料进行还原和加热，窑头，窑尾煤可以同时加入，此外通过料层底部的开孔，还可以喷入燃料（重油，天然气等），燃料通过另一套管道系统进行输入。对空气和燃料的调节可以在不影响工艺过程的情况下进行。

多孔窑的特殊结构，可以保证在多孔窑的开孔区域温度较为均衡，对温度场可以进行很好的控制。径向的燃料和空气分布系统。可以进行对窑沿长度方向进行温度场的闭环控制，铁精矿连续不断的从窑一端进入，并伴随着热化学反应，反应后物料排放到圆筒冷却机上，这种结构可以保证产品有足够的强度以及最低的粉化率，同时沿径向喷入的空气可以防止火焰直接冲刷耐火材料。

多孔窑作为回转窑生产直接还原铁的主要的生产方式，主要有如下几个优点：

1）多孔窑的特殊结构，可以对温度进行精确的控制，有着均匀的温度场，提高回转窑的利用率，而且操作方便，不宜结圈，窑身二次风系统事故率低，从而可以实现设备的大型化。

2）从工艺角度看，采用多孔窑工艺，设备的启动时间和从冷态恢复的时间较快。

3）该窑适用于不同的原料条件，允许生球的各种物理及化学参数可以在较大幅度内变化，并可以更换原料时进行连续生产。

4）燃料的多样性，在国家能源政策紧缩的条件下，燃料的多样性是必须面对的，只能使用单一燃料的热工设备将受到极大的区域限制。多孔窑可以使用煤，重油，天然气以及这些燃料的混合物，可以不停机对燃料种类进行更换与改变，从而可以做到更加节约的使用各种燃料。

5）该技术沿窑的长度方向，按一定的间距分布径向埋入式烧嘴，二次风由径向风口喷入，其独特设计能够精确控制窑内温度、改善温度场分布、提高回转窑利用率，同时不宜结圈，可以实现设备的大型化。

3回转窑在线精准测温技术

目前已有的回转窑测温方法主要分为接触式和非接触式。接触式测温中以热电偶测温为主，其原理是利用两种不同的导体组成闭合电路，在不同温度环境下产生电动势，将温度信号转变为电信号，当热电偶测温端与被测物体达到温度平衡时，可测得较精确的温度。快插快拔热电偶测温装置属于接触式测温，该装置安装在回转窑身上，旋转时在偏心轨道的作用下，装置插入窑内测温或退回到测温孔内，解决了回转窑测温难的问题，如图9；

快插快拔热电偶直接接触测温装置的缺点是一支偶仅能测一点温度，结窑时会影响测量，而且寿命短，信号传输可靠性差，为进一步提高测温的准度及速度，目前开发了一种回转窑磁粒子精准在线测温的新方法，基于铁磁性物质的饱和磁化强度与温度的关系，利用矿物自身的铁磁性及激励磁场装置产生激励磁场，并利用磁纳米粒子浓度成像中的零磁场点扫描原理，在交流激励磁场下，周围点处于磁饱和状态，只有零磁场点处的磁纳米粒子产生时变的磁响应信号能被探测线圈感应，从感应到的信号中提取谐波信息，利用谐波与温度间的关系最终得到温度，如图9。该技术优点在于非接触，不用把探头伸入炉内；在线，实时测量炉内温度；可靠，装置简单，易于工业化；不用破坏回转炉，只需要在进风口和出风口进行改装。

图10 回转窑磁粒子精准在线测温技术示意图

4 结论

1）我国天然气非常稀缺，而煤资源十分丰富，如果以煤为主的还原新工艺新装备得到开发，特别是装备的可靠性和大型化得到大的突破，那么在国内煤基直接还原的发展也许比气基更好。大量的有利于提高还原速度的新工艺新技术得到了实验室和小规模生产工艺验证，这些技术可以使煤基直接还原设备大型化变得可能，也可以大幅降低投资和运行成本，使煤基直接还原技术的发展迎来了希望。

2）高产高效多喷孔回转窑煤基直接还原技术可以用于处理高品位铁精矿生产优质DRI，可以处理低品位复杂铁矿石，更是一种有效实现大宗钒钛磁铁矿（海砂矿等多金属矿产资源）选择性分离富集，得到高附加值的钛、钒和铁等有价金属的专有技术，市场前景巨大。

3）要加强以煤为主并辅以生物质、微波加热等新技术新装备的开发，拓宽煤基直接还原应用的渠道，使各种煤基直接还原技术及装备得到不断的发展，为短流程在我国的发展提供助力。

4）基于煤基回转窑规模小、能耗高、易结圈、能效水平低等问题，开发的低温快速选择性直接还原技术、多喷孔回转窑技术、回转窑在线精准测温技术，能够有效解决上述问题，使得单条线年产30-50万吨DRI成为可能。

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