高爐改造為噴粉熔融冶煉爐的可行性探討

供稿|徐書剛， 陶立群 / XU Shu-gang， TAO Li-qun

熔融還原發(fā)展基礎(chǔ)

國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵非焦煤煉鐵的研發(fā)和推廣，高爐向大型化發(fā)展導(dǎo)致450 m3以下的高爐即將完全被淘汰，有些鋼鐵企業(yè)受資源和品種所限制建1000 m3以上大型高爐不具備條件，特殊礦產(chǎn)資源利用如高鐵錳礦的高爐法富錳渣生產(chǎn)，紅土鎳礦的高爐冶煉工藝，在小高爐淘汰后需要熔融還原煉鐵工藝技術(shù)延續(xù)生產(chǎn)。

噴粉熔融冶煉爐工藝屬于熔融還原煉鐵，借鑒了COREX、FINEX和HIsmelt等工藝技術(shù)成功方面，而且中小高爐可以低投資改建成噴粉熔融冶煉爐，以更低的生產(chǎn)成本保持鐵水生產(chǎn)。

高爐與噴粉熔融冶煉爐工藝特點

高爐的優(yōu)勢與缺陷

高爐工藝已經(jīng)發(fā)展到系統(tǒng)完善而且精確，各種輔助技術(shù)與材料齊備，使整體高爐煉鐵工藝系統(tǒng)完善而復(fù)雜。

高爐整體系統(tǒng)除了高爐本體設(shè)施，還需要熱風(fēng)爐、高爐礦槽、煤粉噴吹、爐前渣鐵排放、煤氣凈化等多個分系統(tǒng)為高爐本體服務(wù)。

富礦粉和精礦粉要生產(chǎn)成燒結(jié)礦和球團礦，生產(chǎn)燒結(jié)礦和球團礦都配備專門的生產(chǎn)車間，每噸燒結(jié)礦需要無煙煤50 kg。焦化廠煉焦從配煤到成品焦炭，都配備了很復(fù)雜的設(shè)備，每煉1 t焦炭需要1.35 t洗精煤，每噸洗精煤需要1.55 t原煤，所以每煉1 t焦炭需要2.10 t原煤。

高爐工藝其設(shè)計、設(shè)備、原燃料供應(yīng)和鐵水煉鋼等所有環(huán)節(jié)都已經(jīng)成熟，建設(shè)高爐只是資金問題。高爐技術(shù)人員的操作技術(shù)非常成熟，各種技術(shù)參數(shù)達到世界通用，建設(shè)高爐不必考慮技術(shù)人員的問題。

但是高爐也存在致命缺陷，如果沒有焦炭作為高爐燃料，所有的高爐工藝優(yōu)勢都不存在，而且隨高爐不斷大型化，對焦炭理化性能的要求越來越高，冷強度指標(biāo)M40要求高于80，還有反應(yīng)性和反應(yīng)后強度要求。

熔融還原有優(yōu)勢但是工藝基礎(chǔ)差

熔融還原的優(yōu)勢是使用各種煤炭或者含C、H物質(zhì)作為燃料，其鐵礦粉或者礦石入爐前準(zhǔn)備工藝與高爐對入爐原料要求有很大差別，熔融還原對原燃料條件有更寬的適應(yīng)性。

熔融還原工藝技術(shù)基礎(chǔ)差，只有COREX、FINEX和HIsmelt進行實際生產(chǎn)，其他都是理念的提出，幾乎沒有實際應(yīng)用。

熔融冶煉工藝投資與建設(shè)費用都沒有參照，生產(chǎn)技術(shù)人員也極其稀少，爐前操作工人對生產(chǎn)工藝不熟悉。

噴粉熔融冶煉爐工藝

噴粉熔融冶煉爐工藝流程

噴粉熔融冶煉爐工藝借鑒了COREX、FINEX和HIsmelt等工藝技術(shù)成功方面，而且可以在中小高爐基礎(chǔ)上，低投資改建成噴粉熔融冶煉爐，圖1為噴粉熔融冶煉工藝流程圖。

噴粉熔融冶煉爐

噴粉熔融冶煉爐是一個立式冶煉爐，冶煉爐下部為液態(tài)渣鐵熔池，在該區(qū)域鐵氧化物被C和H2還原，燃料煤被熱解為C、H、N、O等物質(zhì)。熔池中物化反應(yīng)釋放出的CO、H2以及噴吹載體的N2噴涌而起，形成“渣液噴濺”，將爐渣鐵滴的熔融物質(zhì)噴濺到中部空間。

噴粉熔融冶煉爐上部為燃燒區(qū)域，1200 ℃的富氧熱風(fēng)通過水冷熱風(fēng)噴槍以250～300 m/s風(fēng)速鼓入，熱風(fēng)中的O2與熔池產(chǎn)生的CO、H2進行二次燃燒。

二次燃燒能量的大部分傳輸?shù)健霸簢姙R”中的爐渣和鐵滴中，使“渣液噴濺”中的爐渣和鐵滴的溫度上升約5～10 ℃，從而將燃燒的熱能帶回到下部熔池中。

噴粉熔融冶煉爐工藝原燃料入爐采用的是噴吹工藝，利用3套噴吹系統(tǒng)將含鐵原料、煤和熔劑噴吹到主噴吹管路，在混合器中混合均勻后，通過水冷噴槍噴入熔池。

旋風(fēng)預(yù)熱器對入爐礦粉進行預(yù)熱和預(yù)還原，預(yù)熱后的礦粉溫度高于800 ℃，預(yù)還原度高于15%。

造渣所需要的熔劑進行焙燒，噴吹粒度要求＜6 mm。含鐵料中的脈石、煤中的灰分和熔劑在熔池中形成熔渣，其熔渣含F(xiàn)eO比高爐渣會高些。

噴粉熔融冶煉爐熔池鋼甲設(shè)置光板冷卻壁，內(nèi)襯高鋁尖晶石和鎂鉻磚砌筑，就目前高爐爐缸及爐底耐火材料技術(shù)，也可以采用高密度碳磚加陶瓷杯結(jié)構(gòu)。

噴粉熔融冶煉爐所冶煉的鐵水通過熔池底部出鐵口每2～3 h定期排放，液態(tài)爐渣則由專門設(shè)置的出渣口定期排出。

工藝過程的熱煤氣產(chǎn)出率是每噸鐵2000 m3，煤氣熱值2900 kJ/m3，熱煤氣通過噴粉熔融冶煉爐冷卻器從1450 ℃降至1000 ℃。

部分熱煤氣出冷卻器后進入旋風(fēng)預(yù)熱器，旋風(fēng)預(yù)熱器排出的煤氣再經(jīng)過比肖夫系統(tǒng)洗滌除塵，其他熱煤氣通過余熱鍋爐回收熱能，然后凈化供給余熱鍋爐和熱風(fēng)爐進行燃燒，圖2為噴粉熔融冶煉爐工藝示意圖。

高爐改造為噴粉熔融冶煉爐完全利用設(shè)施

噴粉熔融冶煉爐工藝應(yīng)該在高爐基礎(chǔ)上發(fā)展，高爐工藝已經(jīng)具備很多適合噴粉熔融冶煉爐的設(shè)備，利用這些設(shè)備可以減少投資和降低工藝風(fēng)險。

高爐基礎(chǔ)設(shè)施完全應(yīng)用

完全利用高爐工藝的供電、冷卻水、鼓風(fēng)機、熱風(fēng)爐、框架基礎(chǔ)、出鐵場等設(shè)備，以及鐵水罐、鑄鐵機、高爐主控室、高爐能源介質(zhì)供應(yīng)，即所有基礎(chǔ)設(shè)施都可以利用。

高爐本體功能改造

高爐爐缸改造為噴粉熔融冶煉爐的熔池，爐腰與爐腹安裝物料噴槍，爐身下部安裝熱風(fēng)噴槍，爐身中部安裝反射器，爐身上部內(nèi)部安裝冷卻器，其高爐鋼鐵框架、高爐鋼甲與冷卻壁、高爐熱風(fēng)管道都可以大部分保留。

高爐頂大小料倉內(nèi)設(shè)置多道橫管，對熔融還原爐熱煤氣進行初步冷卻，使其進入煤氣管道后溫度低于1000 ℃，重力除塵器內(nèi)部砌筑耐火材料，中心管采用水冷，使用洗滌塔對煤氣進行凈化。

圖1 噴粉熔融冶煉爐工藝流程圖

新設(shè)計系統(tǒng)

礦粉旋風(fēng)預(yù)熱器

旋風(fēng)預(yù)熱器利用噴粉熔融冶煉爐排出的熱煤氣對礦粉進行預(yù)熱和部分預(yù)還原，在FINEX和HIsmelt工廠已經(jīng)成功使用，是必須重新設(shè)計與建設(shè)的新型設(shè)施。

燒結(jié)機的配料與混料系統(tǒng)可以保留，燒結(jié)機的靜電除塵器可以應(yīng)用與旋風(fēng)預(yù)熱器的煤氣凈化。

原煤干燥粉碎和熔劑準(zhǔn)備系統(tǒng)

噴粉熔融冶煉爐工藝燃料入爐為粒度＜3 mm粒煤噴吹，原煤粉碎采用沖擊錘式破碎，配備熱煙氣爐。按高爐工藝比照每噸鐵水耗500 kg標(biāo)煤，考慮到焦化生產(chǎn)和燒結(jié)礦生產(chǎn)總能耗，以及噴粉熔融冶煉爐開爐能耗，其粒煤破碎干燥能力要大于每噸鐵水1000 kg。

為使噴粉熔融冶煉爐內(nèi)物理化學(xué)反應(yīng)盡可能簡化，減少熱煤氣中的CO2含量，熔劑先焙燒為生石灰和煅燒白云石，經(jīng)過錘式破碎機進行破碎成粉料，再輸送到熔劑噴吹罐。

圖2 噴粉熔融冶煉爐工藝示意圖

噴吹系統(tǒng)

每種物料都單獨噴吹，噴吹系統(tǒng)需要設(shè)置3組噴吹罐，混合器將熱礦粉、粒煤和熔劑物料混合，混合后由噴吹分配器進行均勻分配，分配器支管與噴粉熔融冶煉爐物料噴槍連接。

噴槍設(shè)置在噴粉熔融冶煉爐爐身下部，3根噴槍等間距相互呈120°，向下以一定角度傾斜，噴槍根部位于熔池耐火材料頂部。

結(jié)束語

熔融還原工藝是個新生技術(shù)，噴粉熔融冶煉爐冶煉流程與高爐相有很大區(qū)別，其工藝基礎(chǔ)現(xiàn)代化高爐相比較還差得多，但是噴粉熔融冶煉爐可以在高爐工藝基礎(chǔ)上，利用原有條件吸收成功技術(shù)，重新設(shè)計或者引進新工藝，可以與高爐并駕齊驅(qū)，或者在特殊鐵水生產(chǎn)領(lǐng)域代替高爐。