( 1) 神戶鋼鐵公司加古川廠 Fasmet 轉(zhuǎn)底爐神戶鋼鐵公司加古川的Fasmet 爐作為示范爐生產(chǎn)時, 處理的含鐵含鋅粉塵來自鋼廠, 轉(zhuǎn)底爐還原溫度為 1 300~ 1 350 e , 還原時間為 12min。表 3[4]為當(dāng)時所用含碳球團以及所產(chǎn) DRI的化學(xué)成分和鋅含量; DRI 金屬化率( MFe/TFe) 超過了 90% , 脫鋅率超過 90% ; 回收粉塵中鋅含量為 44170%。

( 2) 新日鐵廣 廠 1 號 Fasmet 爐新日鐵廣 廠 1 號 Fasmet 爐從 2000 年 4月開始連續(xù)運行, 至 2000年 7 月, 完成設(shè)備性能測試并開始正常商業(yè)運行, 之后于 2000 年 8 月,設(shè)備作業(yè)率曾達到 90%以上。該爐子在生產(chǎn)率為100 kg/ ( m2#h) 時, DRI 金屬化率達 9119% ,脫鋅率為 9410%; 轉(zhuǎn)底爐布袋過濾器回收的粉塵含鋅量約為 6314% (其中 7819% 是氧化鋅),鐵含量小于 1% , 是煉鋅廠很寶貴的原料[ 4]。

( 3) 新日鐵光廠 DryIron 轉(zhuǎn)底爐新日鐵光廠生產(chǎn)不銹鋼, 使用 DryIron 轉(zhuǎn)底爐來處理電爐粉塵、酸洗沉渣和軋鋼氧化鐵皮等固體廢料, 在脫鋅和回收鐵的同時, 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, 對工藝作了適當(dāng)改進, 即對廢料先干燥脫水, 再配入還原用焦粉,然后壓制成為較易還原的橢圓形塊。轉(zhuǎn)底爐還原溫度為 1 300 e , 還原時間 15min, DRI 產(chǎn)品用于電爐和 AOD 爐。自投產(chǎn)以來, 作業(yè)率保持在 80% 左右, 通過控制配料使DRI 的金屬化率為 70% ~ 80% , 同時回收鎳和鉻, 取得了較好的經(jīng)濟效益[ 5]。

( 4) 新日鐵君津廠 Inmetco 轉(zhuǎn)底爐君津廠 2 座 Inmetco 轉(zhuǎn)底爐的冶煉溫度為1 250~ 1 300 e , 還原時間分別為 10~ 20 min和15~ 30 min; 生球處理能力設(shè)計為 23 t/ h, 實際運行時達到 25 t/ h; DRI 金屬化率設(shè)計為70% , 實際運行時達到 75% ~ 85% ; 脫鋅率設(shè)計值 90% , 實際可達 92%[ 6~ 7]。

( 5) 美國商業(yè)化 IT mk3 轉(zhuǎn)底爐Steel Dynamics Inc( 鋼動力公司) 于 2009 年第 4季度在美國的明尼蘇達 Hoyt 湖投產(chǎn)了世界上第一座產(chǎn)能為 50 萬 t/ a 的 ITmk3 商業(yè)廠,使用當(dāng)?shù)氐蔫F燧巖( 屬于磁鐵礦) 生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI。2011 年上半年, 設(shè)備作業(yè)率為 85% , 生產(chǎn)率 80% , 主要原因是煤傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。

3、2 國內(nèi)轉(zhuǎn)底爐運行狀況

我國工業(yè)化轉(zhuǎn)底爐中, 以綜合利用復(fù)合礦為目的的有四川龍蟒、攀枝花和日照的轉(zhuǎn)底爐;以處理高鋅含鐵塵泥為目的的有馬鋼和沙鋼的轉(zhuǎn)底爐; 以生產(chǎn)預(yù)還原爐料為目的的有山西翼城、萊鋼和天津榮程等廠的轉(zhuǎn)底爐。

( 1) 日照鋼鐵的轉(zhuǎn)底爐

日照鋼鐵有 2 座國內(nèi)自行研發(fā)設(shè)計的的轉(zhuǎn)底爐, 于 2010年 5 月投產(chǎn), 產(chǎn)能 20 萬 t/ a。投產(chǎn)后, 原料壓球系統(tǒng)、螺旋排料機和煙氣系統(tǒng)存在的問題相繼暴露出來。經(jīng)過不斷改進, 從 2010年12 月到 2011 年 4 月, 產(chǎn)量基本穩(wěn)定在設(shè)計值的50%左右, 作業(yè)率低于 80% , DRI 金屬化率基本穩(wěn)定在 50% ~ 80% ; 產(chǎn)能和作業(yè)率不高的主要原因是煙氣處理系統(tǒng)設(shè)計存在缺陷。2011 年5 月對轉(zhuǎn)底爐煙氣系統(tǒng)拆除改造后, 爐子作業(yè)率和 DRI 金屬化率分別達到 90% 和 80% 左右[ 8]。

生產(chǎn)的 DRI 已作為冷卻劑用于轉(zhuǎn)爐( 約 20~ 30kg/ t) , 因用量較少, 所以 DRI 質(zhì)量對煉鋼消耗、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)成本和鋼水質(zhì)量的影響不是很明顯。轉(zhuǎn)底爐回收的含鋅粉塵中, 氧化鋅含量呈下降趨勢, 降低了其商業(yè)利用價值。

( 2) 四川龍蟒集團的轉(zhuǎn)底爐

四川龍蟒集團建設(shè)了 1 座 7 萬 t/ a 的轉(zhuǎn)底爐(處理釩鈦磁鐵礦)與電爐熔分相結(jié)合的工業(yè)試驗性生產(chǎn)線, 目的是回收鈦、釩、鉻、鐵, 電爐熔分裝置用于生產(chǎn)鐵水和富鈦渣。該轉(zhuǎn)底爐于2007 年 2 月開始運行, 曾因燒嘴、爐底盤、水封、加料機、爐頂、煙道、電爐蓋、爐殼等處發(fā)生事故而多次停爐維修, 直至 2010 年 10 月, 才開始滿負(fù)荷作業(yè)。在轉(zhuǎn)底爐和電爐運行期間, DRI 金屬化率穩(wěn)定在 70%~ 80% , 電爐富鈦渣 TiO2品位達 50%~ 52% , 比當(dāng)?shù)剽伨V TiO2 品位高出4~ 6 個百分點, 富鈦渣的商業(yè)價值已接近或等同于鈦精礦[ 9]。

( 3) 馬鞍山鋼鐵公司的轉(zhuǎn)底爐

馬鞍山鋼鐵公司引進新日鐵君津廠的技術(shù), 于 2009 年 7 月建成投產(chǎn)了 1 座處理能力為20 萬 t/ a 的轉(zhuǎn)底爐, 用于處理高鋅塵泥。在試生產(chǎn)過程中, 污泥烘干系統(tǒng)、離心機、潤磨機、造球盤等相繼出現(xiàn)問題, 經(jīng)過不斷的工藝優(yōu)化和技術(shù)改造, 2010 年 1 月作業(yè)率曾達 95%。其生產(chǎn)的 DRI 的金屬化率約為 80% , 用作高爐爐料[ 10]。

4 轉(zhuǎn)底爐工藝的局限性及針對其

局限性而發(fā)展起來的技術(shù)轉(zhuǎn)底爐工藝在工業(yè)化生產(chǎn)中出現(xiàn)了許多問題, 有的是工藝本身的局限性問題, 有的是配套裝置產(chǎn)生的問題。概括來說, Fastmet、Inmetco和 DryIron 工藝本身的局限性問題較多, ITmk3的工藝局限性問題相對較少。

4、1 轉(zhuǎn)底爐工藝本身的局限性問題

( 1) Fastmet、Inmetco 和 DryIron 工 藝的DRI 產(chǎn)品中脈石和 S 含量較高, T Fe 和 DRI 金屬化率一般較低, 這是由其工藝特點決定的。Fastmet 和 Inmetco 工藝采用內(nèi)配煤粉作還原劑, 加粘結(jié)劑造生球, 鐵礦粉品位或固廢等鐵料的含鐵量、粘結(jié)劑用量及煤中所含的灰分和 S等有害元素將直接影響 DRI 的品質(zhì); DryIron 與Fastmet 和 Inmetco 相比, 制作入爐團塊時雖不用粘結(jié)劑, 但鐵料和煤對 DRI 的影響是一樣的。

要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì) DRI, 需要高品位的鐵礦粉或含鐵量高的固廢和低灰分、低 S 的煤作還原劑才行。北京科技大學(xué)進行的理論計算表明[11], 要想得到TFe 和金屬化率都達到 90%的 DRI 產(chǎn)品, 磁鐵礦的 TFe 應(yīng)達 6915%、赤鐵礦應(yīng)為 6815%,而煤的灰分應(yīng)小于 4%, S 應(yīng)低于 016% 。如果用普通高爐用鐵礦(品位 64% 左右) 和普通煤( 灰分約 12% ) , 那么, 由轉(zhuǎn)底爐得到的 DRI 產(chǎn)品的TFe 只有 78% , 金屬化率約為 85% 。另外,由于采用敞焰加熱, 還原的鐵可能發(fā)生再氧化,只有抑制這一現(xiàn)象才能獲得較高的金屬化率。所以, Fastmet、Inmetco 和 DryIron 工藝的 DRI產(chǎn)品大都用作高爐原料, 也有用作轉(zhuǎn)爐和電爐爐料的, 但用量都很少, 以不至于影響煉鋼生產(chǎn)。

( 2) 轉(zhuǎn)底爐工藝普遍存在能耗高、生產(chǎn)率低的問題。據(jù)報道, 轉(zhuǎn)底爐的煤耗約為 500 kg/t[ 1, 12]。由于轉(zhuǎn)底爐主要依靠輻射傳熱, 爐底只能鋪 1~ 3 層球團, 故影響其生產(chǎn)率提高。

4、2 轉(zhuǎn)底爐配套設(shè)備及粉塵利用問題

( 1) 配套設(shè)備故障率高。轉(zhuǎn)底爐裝置類似于軋鋼環(huán)形加熱爐, 機械設(shè)備復(fù)雜, 高溫臺車、熱出料機及熱篩分設(shè)備故障率高, 運行維護費用較高。

( 2) 轉(zhuǎn)底爐粉塵的回收處理仍是個問題。

日本研究發(fā)現(xiàn), 轉(zhuǎn)底爐原料中的鋅含量和氯含量對回收粉塵的鋅含量影響很大。在處理鋅含量為 20%、氯含量為 2% ~ 4% 的高鋅含鐵粉塵時(如電爐粉塵), 回收粉塵中鋅含量為 60% 左右; 如果轉(zhuǎn)底爐原料中鋅含量較低, 回收粉塵中的鋅含量也會降低, 直接影響其商業(yè)利用價值[13]。

4、3 針對轉(zhuǎn)底爐局限性而發(fā)展起來的技術(shù)

4、3、1 在轉(zhuǎn)底爐后配加熔融爐的工藝

針對 Fastmet 和 Inmetco 工藝 DRI 產(chǎn)品中脈石和 S 含量較高的問題, 產(chǎn)生了在其后接一熔融爐, 分 別能 夠 生 產(chǎn) 鐵水 的 Fastmelt 和RedSmelt 工藝。熔融爐可以是埋弧爐, 也可以是煤基熔化爐。將轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的 DRI 熱態(tài)輸送至熔融爐, 脫 S 除渣, 可生產(chǎn)出與高爐相似的鐵水。神戶曾建了一座 Fastmelt 中試爐, 美國動力鐵公司的這種工藝則實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。

4、3、2 厚料層 PSH 工藝

為解決轉(zhuǎn)底爐工藝料層薄、生產(chǎn)率低的缺點, McMaster 大學(xué)提出了 PSH ( Paired StraightH earth Furnace) 工藝。 PSH 以 厚 料 層 ( 120mm) 、高火焰溫度( 1 600 e ) 、高能量利用率為基礎(chǔ), 可以生產(chǎn)金屬化率達 90% 以上的具有高密度和高強度的 DRI, 能耗比當(dāng)前高爐低 30%,生產(chǎn)的 DRI 可直接用于電爐煉鋼。美國已把該技術(shù)列為技術(shù)路線圖中的一個研究項目, 并建設(shè)了 415 萬 t/ a 的示范廠, 其 DRI 金屬化率為95% 。

5 轉(zhuǎn)底爐與其它高鋅含鐵固廢處理工藝的對比

已實現(xiàn)工業(yè)化的鋼鐵廠高鋅含鐵固廢處理工藝除了轉(zhuǎn)底爐之外, 還有蒂森克虜伯鋼鐵公司使用的 OxyCup 豎爐工藝, 以及德國杜伊斯堡地區(qū) DK 公司的小高爐工藝。

5、1 OxyCup 豎爐工藝

德國蒂森克虜伯利用 OxyCup 豎爐回收高鋅含鐵固廢, 該裝置于 2004 年 8 月建成投產(chǎn)。把燒結(jié)機粉塵、高爐污泥、轉(zhuǎn)爐粉塵、軋機污泥、焦炭渣等含鐵含碳固體廢料混合后, 加入粘結(jié)劑制成六邊形型磚, 然后送入 OxyCup 豎爐冶煉。冶煉過程要求溫度為 620 e 的熱風(fēng) 30 000m3/ h、氧氣 3 500 m3/ h 左右; 產(chǎn)生的爐頂煤氣量大約 50 000 m3/ h, 熱值約為 4 300 kJ/ m3。爐頂煤氣部分用于加熱熱風(fēng), 其余的并入鋼鐵廠總煤氣管網(wǎng)。鐵水產(chǎn)量為 15~ 65 t/ h, 渣量為 15~ 30 t/ h[14]。

OxyCup 豎爐當(dāng)年投資 2100 萬歐元, 所用爐料除了蒂森克虜伯自己的高鋅含鐵固廢, 還外購一部分。在生產(chǎn)鐵水的同時, 回收一部分高鋅洗滌塔污泥。正常生產(chǎn)中, 由高鋅含鐵固廢制成的型磚只是其中一部分爐料( 占 60% 以上), 另外還使用一部分其它料, 如熔劑、焦炭和廢鋼鐵等。豎爐爐渣可以用作水壩的建筑材料和其他水利工程建材。

5、2 小高爐工藝

在德國的 Duisburg- Hochfeld, DK 公司利用工作容積為 580 m3的小高爐處理歐盟的固體廢料, 主要冶煉鑄造鐵。轉(zhuǎn)爐泥、高爐瓦斯灰、瓦斯塵泥、軋鋼屑、電池等固體廢料和部分普通鐵礦經(jīng)過燒結(jié)機處理后, 送入高爐冶煉。小高爐入爐焦比為 630 kg/ t, 煤比為 70 kg/ t, 燃料比在 700 kg/ t 以上; 煤氣利用率較差, GCO約為30% ; 鐵水中 S 含量為 011% 左右。高爐入爐料鋅負(fù)荷和堿負(fù)荷分別為 38 kg/ t 和 815 kg/ t, 高爐瓦斯泥中鋅含量達 60% 以上, 可以作為回收鋅的原料。

5、3 轉(zhuǎn)底爐工藝與 OxyCup 和小高爐的對比

( 1) 工藝成熟性和生產(chǎn)穩(wěn)定性: 在轉(zhuǎn)底爐、OxyCup 和小高爐工藝中, 工藝最成熟和生產(chǎn)最穩(wěn)定的當(dāng)屬小高爐。但小高爐也有很大缺點,如需要大量高鋅含鐵固廢原料, 在我國, 原料來源是個問題; 另外國家現(xiàn)在限制小高爐生產(chǎn), 所以不適合發(fā)展小高爐工藝。

( 2) 金屬鐵產(chǎn)品: 這三種工藝中, 一般轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)的是含鐵量和金屬化率不高的 DRI,

OxyCup 和小高爐生產(chǎn)的均是可直接用于煉鋼的鐵水。

( 3) 副產(chǎn)品: 三種工藝均產(chǎn)生一定量的富鋅爐塵, 而 OxyCup 和小高爐除此之外, 還有爐渣需要處理。

( 4) 還原劑: 轉(zhuǎn)底爐所需還原劑只是含碳球團中的碳, OxyCup 除含碳型磚中的碳外, 還需一定量的焦炭, 小高爐則主要是焦炭。

( 5) 其它能源: 轉(zhuǎn)底爐需要一定量的燃?xì)鈦砑訜?/font>, 以便使?fàn)t內(nèi)達到一定溫度要求; OxyCup和小高爐需要一定溫度的熱風(fēng), 小高爐的熱風(fēng)溫度比 OxyCup 高得多, 而 OxyCup 還需要噴吹大量氧氣。