COSRED直接還原技術處理含鋅粉塵的工藝特點

2019-03-06 09:35:43 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

基于國內鋼鐵企業含鋅粉塵處理所面臨的環保和二次資源浪費問題,結合含鋅粉塵固廢處理技術發展趨勢,詳細介紹了COSRED直接還原技術處理含鋅粉塵的工藝流程、工藝參數、原燃料條件、技術特點、關鍵技術、工序能耗、生產成本和環境保護等方面的工藝特點。
   汪朋,李森蓉,李建濤,周強,唐恩,陳泉鋒

  武漢科思瑞迪科技有限公司

  引言

  自2015年以來,我國每年的粗鋼產量均超過了8億噸,按照一般鋼鐵企業粉塵的產量占粗鋼產量的8%~12%[1]、含鋅粉塵量約占粉塵總量的25%~30%[2]計算,近些年來我國每年產生的含鋅冶金粉塵量平均在2000萬噸以上。鋼鐵企業含鋅粉塵量的逐年增加,一方面是因為鍍鋅廢鋼在轉爐或電爐等消納廢鋼的鋼鐵生產環節中大量使用;另一方面是由于高爐煉鐵過程中的含鋅鐵礦的使用,鋅元素在閉路循環和半閉路循環條件下,逐漸形成了鋅的循環富集[3-5]。

  目前我國鋼鐵企業含鋅粉塵的利用率普遍比較低,多數堆放在廠區,造成了土地、二次資源的浪費以及嚴重的環境污染;隨著國家環保稅法的實施和環保“回頭看”督查力度的加強,鋼鐵企業環保運營成本和生產壓力倍增,迫在眉睫地需要盡快對含鋅粉塵進行有效處理,實現粉塵的完全循環利用,達到企業經濟效益和社會環境效益的雙贏。

  1含鋅粉塵固廢處理技術趨勢

  現階段含鋅粉塵處理方法,根據鋅在鋼鐵生產中的元素流向,分為閉路循環、半閉路循環及開路循環三種模式[3-4]:(1)閉路循環流程:將沒有處理的含鋅粉塵直接配入燒結、球團工序中,主要工藝有燒結法和球團法。(2)半閉路循環流程:采用物理方法從含鋅粉塵中脫除部分鋅后,再按照合適比例配入燒結或球團中,使其繼續在鋼鐵流程中循環。(3)開路循環流程:采用濕法工藝或火法工藝對含鋅粉塵進行特殊處理,實現鋅與粉塵的完全分離,得到脫鋅后的爐料和鋅產品。

  相對于閉路循環流程和半閉路循環流程,開路循環流程對含鋅粉塵的處理比較徹底,能夠避免鋅元素重新回流到鋼鐵主流程工藝中,并且火法直接還原工藝比濕法工藝和熔融工藝更為高效、環保和節能,具有生產效率高,脫鋅率高,操作簡單,原燃料適應性強,運行穩定,還原溫度適宜等優點,比較適合處理鋼鐵廠的含鋅冶金粉塵[4-5]。

  2 COSRED含鋅粉塵處理工藝

  COSRED直接還原技術作為火法直接還原工藝的一種,結合了氣基豎爐和隧道窯兩種工藝的優點[6],在直接還原鐵領域已經成功地應用于商業化生產[7]。COSRED公司宜昌萬噸級工試基地接受國內一些鋼鐵企業的委托,已陸續開展了含鋅粉塵處理的工業性實驗工作。基于COSRED直接還原技術的含鋅粉塵固廢處理工藝的技術方案介紹如下。

  2.1 工藝流程

  COSRED直接還原技術處理含鋅粉塵工藝(以下簡稱“COSRED含鋅粉塵處理工藝”)主要包括原料系統、供料系統、豎爐系統、出料系統和煙氣余熱回收及鋅收集系統。主要工藝流程為:將含有C、K、Na、Zn和Fe等有價元素的粉塵原料按工藝要求進行配比、混勻、壓球和干燥后,與新煤、半焦、石灰石等物料共同混勻加入豎爐內,混合料在重力作用下自上而下運動,經過預熱區、還原區、冷卻區后從爐底部排出,得到高金屬化率的球團和半焦。K、Na、Zn等有價元素在豎爐還原室上部區域被還原、氣化進入煙氣系統,經重力沉降室后進入余熱鍋爐,并由布袋除塵器收集到粗鋅粉。工藝流程詳見圖1所示。

  
 

  圖1工藝流程圖

  2.2工藝參數

  COSRED含鋅粉塵處理工藝主要工藝參數詳見表1。  

  表1 主要工藝參數

  2.3原燃料條件

  COSRED含鋅粉塵處理工藝對原料的適應范圍廣,一般鋼鐵企業所產生的含鋅含鐵固廢粉塵均可作為原料使用。

  1)含鋅粉塵:全流程鋼鐵生產工藝所產生的含鐵含鋅粉塵,鐵品位在20~60%不等。

  2)還原劑:C≥60%;揮發分:8~15%;S:≤0.80%;灰分高溫軟化點≥1250℃;含水≤3%;粒度3~10mm。

  3)脫硫劑:CaO≥50%;MgO<4%;SiO2+Al2O3≤3%;粒度≤2mm。

  4)粘結劑:專用球團粘結劑。

  2.4技術特點

  與其它類型處理含鋅粉塵的直接還原技術相比,COSRED含鋅粉塵處理工藝具有明顯的特點:

  1)內配碳與外配煤相結合:充分利用含鋅粉塵中的碳源,直接制成含碳球團,并外配部分煤,既保證了獲得高金屬化率和高脫鋅率所需要的C源,同時避免了內配煤中的雜質元素增加了球團的雜質含量,降低了還原后球團的全鐵含量。

  2)模塊化與規模化相結合:該工藝與其他火法直接還原工藝最大的不同點在于,爐料是通過自身重力的作用實現了從上到下的連續運行;同時,COSRED直接還原技術中的還原室可以實現在單個還原室大小、高度等均不改變條件下,實現大量的還原室模塊化組合,在核心工藝參數不變情況下,實現大規模化的生產。

  3)氧化氣氛與還原氣氛相互獨立:含鋅粉料制備的干球與新煤、半焦、石灰石等混合料在還原室中經過一系列脫氧還原反應,通過自身重力自上而下經預熱區、還原區、冷卻區后從爐底部排出;反應室中預熱和還原所需的熱量,來源于反應室隔墻外燃燒室燃料燃燒產生的熱量,熱量通過隔墻傳給反應室中的料球;隔焰豎爐反應室隔墻外燃燒室根據反應室溫度需要布置多個燃料燒嘴,所用燃料的熱值可選范圍為750~8000kcal/Nm3;4)高脫鋅率與高金屬化率相結合:含鋅粉料制備干球中的K、Na、Zn等有價元素在還原室上部發生一系列的還原、氣化反應,并隨900℃以上的高溫煙氣進入余熱回收和鋅收集系統;脫鋅后的球團在還原室中下部進一步地發生深度還原反應,得到高金屬化率的直接還原鐵球團。

  5)廢還原劑的回收處理重復利用:自豎爐底部排出的高金屬化率球團和半焦混合料經篩分、磁選處理后,收得的半焦可作為還原劑重復使用。

  6)工藝操作簡單、生產維護方便:生產操作控制的工藝參數很少,主要為還原溫度和還原時間,還原溫度通過燃燒室的燃燒溫度來進行控制和調整,還原時間通過還原室下部的排料速度來進行控制和調整。煤基豎爐的生產操作不僅很簡單,實現了全自動控制,而且生產的穩定性很高、易損件少、維護量小。

  2.5關鍵技術

  COSRED含鋅粉塵處理工藝繼承了COSRED直接還原技術通過三個階段和五代創新的不斷積累、改進和完善演變而成的一系列專利技術和關鍵技術[8]:

  1)工藝技術: 煤基豎爐的工藝參數、工藝流程、設備選型、工藝布置等均需在嚴謹的理論研究基礎上,充分結合工業實驗的數據和經驗才能得到合理和完善的工藝技術。

  2)結構技術:煤基豎爐結構的穩定性涉及到還原室和燃燒室的大小、形狀、高度、結構和隔墻厚度和材質等,傳熱效果涉及到燃燒室中的燃燒器型式、布置和煙氣的均勻分布、通道走向和隔墻厚度和材質等,這些都會直接影響到豎爐的壽命和還原的效果。

  3)耐材技術:煤基豎爐內的燃燒室和還原室是由很多耐材砌筑而成的,其中還原室的耐材最為復雜和關鍵,工藝要求其具備高導熱、耐高溫、抗氧化、抗還原及耐磨損,以實現復雜工況下的長壽命和傳熱效率。

  4)控制技術:還原氣氛與氧化氣氛是完全獨立的互不影響,還原氣氛單純這為混合料的還原創造了比其它煤基直接還原工藝更好的工藝條件。另外,還原溫度和還原時間能夠實現很好的控制和調整,這就是所謂的“COSRED工藝用溫度時間贏得了質量”。

  5)布料和排料技術:煤基豎爐爐頂的布料非常重要,原因在于布料工藝和裝置不合理,混合料會出現嚴重的偏析。混合料還原后的排料技術和設備也是該工藝的關鍵技術和設備,通過該設備能夠很好的控制爐料下行的速度和還原時間。

  2.6工序能耗

  還原劑和燃料是該工藝的主要能源消耗,年處理30萬噸含鋅粉塵生產線典型指標計算的工序能耗詳見表2。  

  表2  工序能耗

  2.6生產成本

……  

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