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直接还原铁技术


直接还原铁技术
直接还原铁是铁矿在固态条件下直接还原为铁, 可以用来作为冶炼优质钢、 特殊钢的纯 净原料,也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。这种工艺是不用焦碳炼铁, 原料也是使用冷压球团不用烧结矿,所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁新工艺,也是全 世界钢铁冶金的前沿技术之一。 直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种, 按主体设备可分为竖炉法、 回转窑法、 转底炉法、 反应罐法、罐式炉法和流化床法等。目前,世界上 90%以上的直接还原铁产量是用气基法 生产出来的。但是天然气资源有限、价高,使生产量增长不快。用煤作还原剂在技术上也已 过关,可以用块矿,球团矿或粉矿作铁原料(如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等)。但是, 因为要求原燃料条件高(矿石品位要大于 66%,含 SiO2+Al2O3 杂质要小于 3%,煤中灰分 要低等),规模小,设备寿命低,生产成本高和某些技术问题等原因,致使直接还原铁生产 在全世界没有得到迅速发展。因此,高炉炼铁生产工艺将在较长时间内仍将占有主导地位。 1. 直接还原铁的质量要求 直接还原铁是电炉冶炼优质钢种的好原料,所以要求的质量要高(包括化学成份和物理性 能),且希望其产品质量要均匀、稳定。 1.1 化学成份 直接还原铁的含铁量应大于 90%,金属化率要>90%。含 SiO2 每升高 1%,要多加 2%的 石灰,渣量增加 30Kg/t,电炉多耗电 18.5kwh。所以,要求直接还原铁所用原料含铁品位 要高:赤铁矿应>66.5%,磁铁矿>67.5%,脉石(SiO2+Al2O3)量<3%~5%。直接还 原铁的金属化率每提高 1%,可以节约能耗 8~10 度电/t。直接还原铁含 C<0.3%,P<0. 03%,S<0.03%,Pb、Sn、As、Sb、Bi 等有害元素是微量。 1.2 物理性能 回转窑、竖炉、旋转床等工艺生产的直接还原铁是以球团矿为原料,要求粒度在 5~30mm。 隧道窑工艺生产的还原铁大多数是瓦片状或棒状,长度为 250~380mm,堆密度在 1.7~2. 0t/m?。 生产过程中产生的 3~5mm 磁性粉料,必须进行压块,才能用于炼钢。强度:取决于生产 工艺方法、原料性能和还原温度。改进原料性能和提高温度有利于提高产品强度。产品强度 一般>500N/cm?。 2. 直接还原铁产生工艺技术介绍 2.1 竖炉法 气基竖炉法 MIDREX、HYL 法直接还原铁产生中占有绝对优势,该工艺技术成熟、设备可 靠,单位投资少,生产率高(容积利用系数可达 8~12t/m?·d),单炉产量大(最高达 180 万 t/年)等优点。经过不断改进,其生产技术不断完善,实现规模化生产。 (1) MIDREX 技术 Midrex 法标准流程由还原气制备和还原竖炉两部分组成。 还原气制备: 将净化后含 CO 与 H2 约 70%的炉顶气加压送入混合室, 与当量天然气混合送 入换热器预热,后进入 1100℃左右有镍基催化剂的反应管进行催化裂化反应,转化成 CO2 4%~36%、H260%~70%、CH43%~6%和 870℃的还原气。后从风口区吹入竖炉。 竖炉断面呈圆形,分为预热段、还原段和冷却段。选用块矿和球团矿原料,从炉顶加料管装 入,被上升的热还原气干燥、预热、还原。随着温度升高,还原反映加速,炉料在 800℃以 上的还原段停留 4~6 小时。新海绵铁进入冷却段完成终还原和渗碳反应,同时被自下而上 通入的冷却气冷却至<100℃。还原铁的排出速度用出铁器调节。产品典型成分如下: 产品化学成分(%)

工艺/成分 Tfe ηFe SiO2 Al2O3 CaO MgO C P S Midrex 91-93 92-95 2.0-5.5 0.5-1.5 0.2-1.6 0.3-1.1 0.7-2.5 0.07 0.01 -0.03 工艺多用球团和块矿混合炉料。球团粒度 9-16mm 占 95%,球团冷压强度>2450 N/球,块矿粒度 10~35mm 占 85%;要有高软化温度和中等还原性;化学成分铁量要高, 酸性脉石低(≯3%-5%),CaO<2.5%,MgO<1.0%,TiO<0.15%,S<0.008%。为放 宽对矿石含硫要求,Midrex 法改用净化炉顶气作冷却气。在冷却海绵铁的同时被热海绵铁 脱硫,从冷却段排出后再作为裂化剂,可容许用含硫 0.02%矿石。 现今 Midrex 法作业指标为:产品金属化率 86%~96%,有效容积利用系数 10 t /m?·d,能耗 10.47GJ/t,电 114kWh/t,水 1.64m?/t。 Arex 法是 Midrex 法的新改进,天然气被氧气(或空气)部分氧化后送入竖炉, 利用新生热海绵铁催化裂化,省去了还原气重整炉。改进后吨铁电耗可降低 50Kwh。 (2) HYL(罐式)法与 HYL-Ⅲ(竖炉)法。 HYL 法由 4 座罐式反应炉和 1 座还原气重整炉构成。 该工艺作业稳定、 设备可靠。 产品含碳 2%左右,不易再氧化,不发生炉料粘结;只因还原气要反复冷却、加热,系统热 效率低,能耗偏高,气体消耗为 20.93GJ/t;1975 年后再没建新厂。 对 HYL 罐式法作出改革,保留原还原制备工艺,但将还原气重整转化与气体加 热合一;4 个罐式反应炉改为连续式竖炉,称 HYL-Ⅲ竖炉法。 该工艺采用高氢还原气,高还原温度(900-960℃)和 0.4-0.6MPa 高压作业。改 善还原动力学,加速还原发应;含硫气不通过重整炉,延长了催化剂和催化管使用寿命;还 原和冷却作业分别控制,能对产品金属化率和含碳量进行大范围调节,产品平均金属化率 9 0.9%、控制碳量 1.5%-3.0%,质量稳定;配置 CO2 吸收塔,选择性地脱除还原气中 H2O 和 CO2, 提高还原气利用率; 重整炉产生高压蒸汽发电。 最低生产能耗为 10.43-11.2 GJ/t, 电耗 90kWh/t。HYL(罐式)法已逐渐被 HYL-Ⅲ(竖炉)法取代,合计产量占世界总产量 的 25%左右。 该法的新改进是天然气进入反应器直接裂解,生产高碳(3.8%)DRI 产品。最近 又推出 HYL-Hytemp 生产系统。将热还原铁(650℃)气力输送到电炉车间,喷入电炉。冶 炼时间缩短,电极和耐火材料消耗降低,金属收率提高。吨钢电耗降低 112kW·h,电极消 耗降低 0.55kg,冶炼时间缩短 16min,产率提高 16%,吨钢成本可降低 4.6 美元。

2.2 气基流化工艺 (1)F1NMEF 工艺 该工艺使用<12mm 粒度矿粉(脉石<3%,低硅高铁),在流化床上干燥,被加热到 100℃,送入反应器结构顶端的闭锁料斗系统中,加压 1.1MPa 后,通过 4 个串联液化床反 应器,铁粉在重力作用下从上方反应器向下流动,与作为还原剂的重整天然气逆向而行。产 品含铁 92%,金属化率 92%~95%,含碳 0.5%~3.0%,以 FeC 形式存在。现世界上已有三 套这种装置,1999 年奥钢联建第一套,第二套在西澳 BNP 公司,能力 250 万吨/年,埃及 建的第三套,年能力 115 万吨。该工艺的优点成本低、质量好。 (1) Circored 和 Circofer 工艺 两种工艺核心设备都包括一座循环液化床和一座普通流休床。Circored 是用天然气为能源, Circofer 以煤为能源。铁精矿粉是经过预热后(约 900℃)进入循环流化床参加反应,使动 力学条件得到改善,在 4 个大气压条件下,铁矿与氢在 630℃时可被还原(在气体环路中加 入部分氢)。

2.3 转底炉法 将铁矿粉、钢铁厂含铁粉尘、煤粉和粘结剂按一定比例混合,压制成含碳球团矿, 送入烘干机内进行烘干,脱除水份。将干燥的含碳球团均匀地铺在转底炉上(只铺一层), 在高温 1200~1400℃下球团矿内氧化铁与碳反应,放出 CO,在炉膛内燃烧成 CO2,并形 成高温废气(在 1000℃以上)。一般反应只要 20 分钟左右。 将废气收引出预热煤气(400℃)和助燃空气(900℃),低温废气从蓄热室和换热 器引出, 再去烘干生球团。 这时废气温度在 100℃左右。 从节能角度看, 能源利用效率较高。 转底炉的高温气体由燃烧器来提供(使用煤气加热)。 转底炉可以处理含 Zn、Pb 高粉尘,可以避免配入烧结矿中后,在高炉冶炼过程中 Z n、Pb 的富集造成的负面影响。 目前的山西翼城,河南巩义已有外径为 16.3 米的转底炉,年产量在 7 万吨,金属化 率达 85%,每吨铁投资为 182 元。 2.4 开发利用焦炉煤气,对含碳球团在竖炉内进行直接还原。焦炉煤气含 55%左右的氢。 在化学反应中,氢对氧化铁的还原率是最高的。目前,首钢准备开展这方面的工作。焦炉煤 气要进行裂解,提高 H2 的含量,并要预热到 930~950℃,在参与还原反应,反应后气体 要脱除 CO2,再循环利用。 用氢作还原剂存在的主要技术问题: ? H2 还原铁的其它氧化物都是吸热反应,需要充足的热。在满足还原和供热的煤气的最佳 H2 含量为 32.05%。 ? 富氢预还原会导致物料的粉结。采取分段供应富氢和非富氢供气制度。 3. 直接还原铁发展现状 2003 年产量为 4960 万吨, 2004 年为 5460 万吨, 3. 1 全世界直接还原铁发展比较快, 2005 年约为 6000 万吨。年增长率在 10%以上。在直接还原铁生产工艺中,气基直接还原 占 92%。

表 1 各种直接还原铁生产所占比例 单位:% 年 MIDREX HYLⅢ HYLⅠ Finmet 其他煤基 其他气基 2003 64.60 18.40 1.30 5.20 10.20 0.40 2004 64.10 18.90 1.90 2.90 12.10 0.10 2004 年委内瑞拉产量 783 万吨,印度 937 万吨,墨西哥 654 万吨,伊朗 641 万吨,俄罗 斯 314 万吨,沙特 341 万吨,特立尼达和多哥 236 万吨,中国为 43 万吨。 3.2 中国情况 2005 年中国生产直接还原铁为约 50 吨,而生产能为比产量要高出 20%。主要是技术、原 料、成本等因素影响。 全国现有 30 多个直接还原铁企业,其总生产能力约 60 万吨。总体上讲,规模小,生 产成本高,缺少高品质的原料。多数企业用隧道窑反应罐法,生产工艺落后,能耗高,环境 污染严重。 (1) 天津直按还原铁厂生产实践 2004 年产直接还原铁 33.2 万吨,2005 年约产 34 万吨,设备作业率在 98%以上。 该厂是采用 DRC 法煤基直接还原生产工艺:两条 φ5X80m回转窑----冷却筒----产品 分选----成品。

使用巴西球团矿(含铁品位 68%,SiO2+Al2O3 约为 2%)适宜配入煤和石灰石,进 行混均,从回转窑给料端加入。窑体是倾斜安装,慢速旋转,使炉料朝卸料端运动,同时, 矿石被加热和还原(注意温度控制在不要使脉石熔融,以免结圈)。煤作为热源和还原剂, 一部分随铁矿石同时加入,另一部分从窑的卸料端喷入窑内。供煤所燃烧的空气,通过沿窑 长度方向安装在窑壳上不同位置的风机由轴向吹入窑内。 热的还原产品经过冷却筒冷却, 然 后筛分、 磁选及风选, 分离出非磁性物, 得到成品。 来自窑内的烟气经余热锅炉回收余热 (产 生蒸汽),废气经布袋除尘,用废气风机送入烟囱。 操作的技术关键: ? 保证窑内还原气氛,控制好风量 ? 控制好窑体内各部分的适宜温度,不让脉石熔融 ? 窑的卸料端保持微正压,20~30Pa 控制直接还原铁金属化率在 91.1%~94.6%,质量合格率在 94%,是最经济的指标。金属 化率高和低,均会造成回转窑和电炉炼钢指标的恶化。 (炼钢过程加入直接还原铁比例最好 控制在 15%~35%,并要控制好料流加入速度 32~34Kg/兆瓦?分,以免出现钢水的沸腾现 象以及喷溅)。 影响产品金属化率的因素是:频繁停窑、非正常条件下生产(难以调控),窑和冷却筒密封 性不良、煤的成份波动和质量控制点选择不当。 (2)首钢密云冶金矿山公司煤基链篦机─ 回转窑 ─ 一步法 该公司直按还原铁年生产能力 6.20 万吨, ? 生产工艺:配料 ─ 造球 ─ 干燥(链篦机)─ 回转窑(还原)─ 冷却 ─ 成品。 ? 铁精矿水份严格控制在 5.5%~6.5%。 ? 造球配皂土(粘结剂)0.8%~1.0%,台时产量 20±2 吨。 ? 链篦机带速为 0.5m/min,布料厚度 100~120mm。 生球抗压强度≧1.2Kg/个,落下强度≧5 次/0.5m,水份控制在 7.5%左右,粒度 6~1 6mm 占 85%以上。 ? 回转窑及热工系统操作 窑头喷煤总量在 7.0±0.5 吨/小时,精煤枪压力控制在 60KPa,细煤枪压力控制 10~14 KPa。 窑尾加煤控制在 800±50Kg/h,严禁窑尾煤量过值。 窑温控制:窑头箱<980℃, 1、2、3 号电偶控制在 1000~1040℃,短时温度不得超过 1060℃; 4、5、6 号电偶控制在 1000±20℃; 7、8、9 号电偶控制在 950~1000℃; 冷烟室温度控制在 700℃以下。 链篦机预热段温度控制在 850~920℃ 过渡段温度控制在 550~650℃ 干燥段温度控制在 250~350℃ 1、2 号风箱温度不得低于 600℃ 回转窑电机转速控制在 400~440 转/分,主风机的回热风阀门开度 45%~50%,转速 800~850 转/分,回热风机入口负压 780±20KPa,温度 310~350℃。干燥风机阀门开度 6 5%~70%,转速 800~850 转/分。 产品质量标准的厂标是:铁品位≧88%,S≦0.04%,金属化率>90%。 (3)山东莱芜鲁中冶金矿山公司直接还原铁厂用冷固球团----回转窑工艺生产直接还原铁, 年生产能力 5 万吨。后改为块矿回转窑法。

? 福建大田海绵铁公司用 sic 反应罐----隧道窑法生产直能力 5 万吨/年。 ? 喀左海绵铁厂、哈尔滨市海绵铁厂、吉林复森海绵铁公司、吉林桦甸海绵铁厂等也具 备了年生产能力 2.5 万吨。


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