国内外转底炉的发展趋势及我国发展转底炉技术的建议

国内外转底炉的发展趋势及我国发展转底炉技术的建议周渝生齐渊洪严定鎏洪益成钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室钢研晟华工程技术有限公司20141106目录一、国内外转底炉技术的发展过程简介二、国内外转底炉技术的发展趋势三、我国发展转底炉技术的背景四、对我国发展转底炉技术的建议一、国内外转底炉技术的发展过程简介煤基直接还原转底炉(RHF)工艺是由轧钢使用的环形加热炉演变而来的，具有环形炉膛和可转动的炉底，还原炉料均匀地铺在可以沿圆周循环转动炉底上，炉膛是一个固定的相对密封的环状容器，炉膛内外墙上布置有多组燃气烧嘴，按不同的区域通过自动调节阀装置和检测元件实现温度控制和气氛调节。转底炉炼铁工艺是非高炉炼铁工艺的一种，从1978年加拿大国际镍集团（Inco,Ltd）建成第一座转底炉以来，已有近30年的历史，它从美国发源、先在日本推广、后在中国得到发展。转底炉法以其原料适应性强和操作工艺的灵活性等优点，引起冶金界的高度重视。但由于原料加工方法条件和对产品质量要求的不同，转底炉直接还原炼铁分为Inmetco法、DRYIRON法，FASTMET法和ITKM3等不同工艺路线。1、转底炉直接还原工艺简介冷固结含碳球团炉料从装料区装入转底炉炉内仅1-2层，炉料随着炉底一起转动，不会受到挤压。先在预热区内被加热到1000℃以上，然后进入1200℃-1400℃的还原区加热10-20min。在还原区，炉料中的Fe和K、Na、Pb、Zn等氧化物陆续被含碳球团中的碳自还原，K、Na、Pb、Zn等元素以气体的形式随烟气逸除。还原后的金属化球团经过冷却区后被排出炉外冷却，部分再氧化金属化率降低一些。煤气燃烧及反应生成的烟气沿着与炉料转动相反的方向流动，最后流入废气净化处理及余热回收系统。转底炉炉底转动方向烧嘴900~1100℃1200~1400℃1100~900℃烟气流动方向预热区还原区冷却区装料区排料区一、国内外转底炉技术的发展过程简介1、转底炉直接还原工艺简介钢铁厂每年产生大量含锌、铅高的废弃含铁粉尘，高炉不宜使用，环保限制其排放输出(美国的委托处理费是~250＄/t,欧洲200欧元/t，日本是2000日元/t），如何对其经济地回收利用是困扰冶金行业的一个难题。因此，转底炉煤基直接还原技术应运而生。一、国内外转底炉技术的发展过程简介热烟气流动方向转底炉炉体结构示意图一、国内外转底炉技术的发展过程简介1、转底炉直接还原工艺简介炉膛与转动的炉底之间有水封防止烟气和粉尘逸出⑴Inmetco法由加拿大的Inco公司开发，于1978年在美国埃尔伍德市建成了年处理8万吨固体废弃物的工厂，用于从合金钢冶炼废料中回收镍、铬和铁。INMETCO的主体设备是一个转体炉。转底炉呈密封的圆盘状，在运行中炉体以中垂线为轴作旋转运动。其工艺流程特点是：将不锈钢生产厂的电炉集尘灰、瓦斯泥和还原剂混合后造球，还原剂煤的量按照还原当量要求配入，再加入一定量的粘结剂，通过圆盘造球机制成直径7－13ｍｍ的含碳球团。然后把它们装入转底炉，料层厚度约1-2层球，在转底炉中通过将球团快速加热到1300℃还原，完成还原过程约12分钟，同时重金属氧化物还原和挥发，通过布袋除尘收集到含Zn、Pb超过60%的富氧化锌灰，在排料点球团温度约为1250℃。过程所需的能量来自于不同区段烟气预热或燃气的燃烧。设计有精确控温的燃烧系统，保证炉内不同区间的燃烧按照还原过程热平衡进行控制。Inmetco炉成功运行了30多年,由于其DRI产品含镍铬5-10%，可循环利用回收合金，该厂有较好的经济效益,成为美国政府指定的处理不锈钢厂固体废弃物处理中心。一、国内外转底炉技术的发展过程简介2、国内外转底炉直接还原工艺简介一、国内外转底炉技术的发展过程简介2、国内外转底炉直接还原工艺简介•Inmetco流程的最突出特点是使用冷固结含碳球团。可使用矿粉或冶金废料作为含铁原料，焦粉或煤作为内配还原剂。将原燃料混匀磨细，制作成冷固结球团，然后将冷固结球团连续加入转体炉，在炉盘上均匀布上一层厚度约为球团矿直径3倍的炉料。•在炉盘周围设有烧嘴，以天然气为燃料。高温燃气吹入炉内，以与炉盘转向相反的方向流动，将热量传给炉料。由于料层薄，球团矿升温极为迅速，很快达到还原温度1250℃左右。•含碳球团内，矿粉与还原剂具有良好的接触条件。在高温下，还原反应以高速进行。经过15～20min的还原，球团矿金属化率即可达到88％～92％。还原好的球团经一个螺旋排料机卸出转底炉，供电炉作炼钢原料。一、国内外转底炉技术的发展过程简介2、国内外转底炉直接还原工艺简介一、国内外转底炉技术的发展过程简介⑵.干铁法GLOBA公司（原MR&E公司）在1960年是米德兰－罗斯的快速加热工艺的技术开发部门，1985年成为独立公司。曾经为美国Ameristeel公司的电炉粉尘处理系统以及美国RougeSteel公司综合钢铁厂的粉尘和污泥处理系统提供DRYIRON法的相关设备，具备丰富的应用实绩。GLOBA公司开发的干铁法有两项专利技术：用废糖浆作为粘结剂，利用氧化铁粉与碳粉混合物成型的干压块方式对辊压球机压成球团后直接装入转底炉，取消了球团的烘干程序；采用特殊的震动传送装置的炉料装入方法。可以得到金属化率大于90%的DRI。是一种较理想的煤基直接还原工艺。该工艺过程中在转底炉内的高温作用与短暂的停留时间（约10min），其操作具有巨大的灵活性，而且设备的操作控制非常容易。考虑到上述炼铁厂粉尘和污泥处理以及还原铁生产的需要，新日铁钢铁事业部于1999年从美国MR&E公司引进转底炉DRYIRON法，并且争取到代理推销资格。这是日本FASTMET法发展的基础。料仓混料布料器螺旋排料压球机DRI料罐烟气空气转底炉炉底转底炉炉膛布袋除尘器换热器DRYIRON工艺流程图一、国内外转底炉技术的发展过程简介FirstOperatingRotaryHearthFurnace(1997)Amorites,Jackson,TennesseeWasteIronOxideDustRecyclingRHFRougeSteelCompanyCapacity200,000tons/yearWasteOxideReclamationPlantWasteIronOxideBriquettingOperation50-60t/h大型对辊压球机ProcessKnow-howRHFDischargeScrewGLOBA原创设计的转底炉耐高温螺旋排料机forHighTemperatureDuty1500℃DRyIron®ProcessBriquetteFeedConveyorGLOBA设计的斗式胶带炉料输送提升机一、国内外转底炉技术的发展过程简介美国动力钢公司（IDI）是首家完全以铁精矿粉为原料生产煤基DRI供电炉配合废钢使用的大型转底炉项目单位消耗量单价金额单位美元/单位美元/t原料铁精矿粉kg13350.02229.37还原煤kg4100.0520.50皂土kg50.0650.33有机粘结剂kg51.0005.00小计55.20能源电kwh650.0352.28天然气m3（STP）600.106.00氮气m3（STP）100.040.40水t0.300.0330.01小计8.69其他消耗品美元1.00维修与备件美元1.00美国以铁精矿粉为原料的DRI工艺的操作成本SpecialtyThermalEquipmentRHFUnfeederAssembly转底炉振动布料机⑶FASTMET工艺MIDREX和神户制钢开发的FASTMET转底炉将高炉尘泥和轧钢污泥按一定比例混合，调整碳含量，然后用造球盘造球、烘干加入转底炉生产DRI产品。据报道，脱锌率可大于95%，可以得到金属化率70-90%的DRI。世界首座采用FASTMET工艺以含铁废料为原料的商业化直接还原铁厂，于2000年二季度在日本新日铁广田厂投产，年处理尘泥能力19万t。FASTMET法的工艺流程见下图。铁精矿(或含铁废粉尘)、煤粉和粘结剂经混合搅拌器后进入造球盘造球。生球通过烘干炉干燥后再装入转底炉。均匀地铺在转底炉炉底上料层为1～3层球的高度。随着炉底旋转,球团矿在1250～1350℃下加热10～30min,约90%～95%的氧化铁被球团配碳还原成DRI。从转底炉出来的尾气经过焚烧炉和热交换器将转底炉烧嘴的助燃空气预热,一部分高温废气用来干燥球团。一、国内外转底炉技术的发展过程简介FASTMET工艺流程图一、国内外转底炉技术的发展过程简介FASTMETFirstCommercialPlant新日铁广田厂ProcessFlowFirstCommercialPlant新日铁广火田厂转底炉年处理含铁废料能力19万tFASTMET工艺的主要特点①以煤粉作为还原剂,仅用少量天然气或LNG,对煤的质量要求没有回转窑法那么严格,故有利于广泛应用。②主要设备为环形转底炉,与回转窑相比,该工艺设备较简单、投资省、能耗较低。③使用造球盘、有机粘结剂冷固结含碳球团，对球团的强度要求不高。因为料层很薄炉料不受压且随炉底一起转动,炉料与炉底之间无相对运动,可使用含碳生球团。④炉料在转底炉内停留时间短(约20min),操作容易。FASTMET法可直接使用含铁废粉料（或粉矿）和粉煤,在矿石和能源上具有很好的适应性和经济性。金属化率可达70-90%。一、国内外转底炉技术的发展过程简介BFFilterCakeBOFFlueDustEAFDustOtherWasteFe-DRI10,000ton/yWastetobetreated（14,000ton/y）BOFFeedWasteOil10,000t/yCrudeZnO1,400ton/yZincRefineryDRIQualityMetallization:85%CompressionStrength:morethan20kg/BFineGeneration:lessthan5%:5,000ton/y:6,000ton/y:2,000ton/y:1,000ｔｏｎ/yFASTMETplantKakogawaCommercialPlantMaterialFlow加古川示范工厂的物料平衡FASTMET和小高炉间的燃料消耗、总能耗比较项目单位FASTMET700m3小高炉耗煤量GJ/thm11.222.8耗外供气体燃料量GJ/thm4.6耗电量GJ/thm2.21.4总能耗GJ/thm18.024.2一、国内外转底炉技术的发展过程简介建设一座年处理20万t粉尘的Fastmet转底炉需投资30亿日元（2.70亿元RMB）,Fastmet工艺转底炉的占地面积80X150m2。煤粉及含铁原料粒度≤3mm,造球含水率为7-8%，广田原为造球盘，2005年已改为对辊压球机。转底炉内布料仅为1.5层球，Fastmet生产的DRI产品的出料温度为1000℃，金属化率为70-90%，含碳2-3%，可热装电炉，也可水冷或压成HBI水冷后使用。Fastmet煤气热值必须大于2000kcal/m3。炉内辐射传热的火焰温度1200-1400℃，设备作业率为92%左右，Fastmet生产每tDRI需消耗天然气2.24GJ（约63m3）、80度电及320kg煤粉，转底炉的设计生产率为100kgDRI/m2·h。用除尘灰生产一年可收回投资。加古川的Fastmet设已运行了10年，广田运行了12年,新日铁已建成第三台同样的设备。与神户制钢、三井物产交流Fastmet工艺的数据一、国内外转底炉技术的发展过程简介FASTMET法的目前的工艺流程图FASTMITE法现在也不排斥对辊压球工艺Fastmet工艺的转底炉金属化率与生产率的关系一、国内外转底炉技术的发展过程简介①世界上首次利用FASTMET工艺以含铁废料（转炉粉尘）为原料的商业化直接还原铁厂，于2000年4月在日本新日铁广火田厂投产，年处理粉尘能力19万t，产品DIR14万t直接用于广火田厂的氧气转炉炼钢。由神户制钢承担设计，安装和建设。②神户制钢株式会社加古川厂是第二个用该工艺建设的直接还原铁厂，于20