側(cè)吹浸沒燃燒熔煉技術(shù)(SSC)在紅土鎳礦領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

陳學剛， 裴忠冶， 代文彬， 徐小鋒， 崔 沐， 余 躍， 王書曉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

目前，紅土鎳礦現(xiàn)有火法主要處理工藝包括RKEF工藝、回轉(zhuǎn)窯直接還原鎳鐵工藝和小高爐冶煉工藝。

RKEF工藝最早由美國Elkem公司開發(fā)并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，目前是國內(nèi)外大型鎳鐵冶煉首選工藝。該工藝主要分為干燥、焙燒- 預(yù)還原、電爐熔煉、精煉等幾個工序，RKEF工藝缺點是無法回收鎳礦中的鈷，對鈷含量較高的氧化鎳礦并不適用。另外，由于工藝能耗高，適宜于處理鎳含量大于2%、鈷含量小于0.05%的礦石，且要求當?shù)匾谐渑娴碾娏蛉剂瞎?yīng)[1]。

回轉(zhuǎn)窯直接還原鎳鐵工藝最初為德國Krupp-Renn直接還原煉鐵工藝移植轉(zhuǎn)化而來，日本大江山冶煉廠早在20世紀30年代開始利用回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝生產(chǎn)鎳鐵。其主要工藝過程為原礦經(jīng)干燥、破碎、篩分處理→與熔劑、還原劑按比例混合制團→團礦經(jīng)干燥和高溫還原焙燒生成海綿狀的鎳鐵合金→合金與渣的混合物經(jīng)水淬冷卻、破碎、篩分、磁選或重選等處理得到粗鎳鐵粒。此工藝歷時80年的發(fā)展經(jīng)歷，僅在日本大江山冶煉廠(Ohiyama Smelter)有生產(chǎn)性實踐應(yīng)用。國內(nèi)很多研究機構(gòu)和企業(yè)都進行了回轉(zhuǎn)窯直接還原鎳鐵的試驗和研究工作，仍未突破給料方式復(fù)雜、回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、處理量低、難以規(guī)?；葐栴}[2]。

小高爐處理紅土鎳礦工藝是最早出現(xiàn)的紅土鎳礦冶煉鎳鐵的技術(shù)。采用高爐法生產(chǎn)鎳合金工藝流程為濕紅土鎳礦→生石灰拌礦干燥→配料燒結(jié)→破碎篩分→高爐熔煉→澆鑄→鎳鐵，上述為中國采用小高爐冶煉工藝生產(chǎn)鎳鐵的主流工藝路線。由于高爐冶煉鎳鐵技術(shù)存在原料適應(yīng)性差高爐無法大型化、環(huán)境污染嚴重和能源消耗高(需要焦炭)等問題，隨著焦炭價位回歸合理，鎳價下跌和新環(huán)保法實施，大部分高爐煉鎳鐵廠已經(jīng)停產(chǎn)[3]。

為解決當前處理紅土鎳礦特別是低品位紅土鎳礦成本高，電力依賴性高、環(huán)境差、難以規(guī)?；a(chǎn)等問題，中國恩菲工程技術(shù)有限公司根據(jù)近年發(fā)展的側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉技術(shù)(Side-Submerged Combustion Smelting Process, SSC技術(shù))在有色金屬工業(yè)的成功生產(chǎn)實踐，提出富氧側(cè)吹煤粉熔融還原紅土鎳礦的新型冶煉工藝[4-5]。

1 富氧側(cè)吹煤粉熔融還原紅土鎳礦技術(shù)

1.1 技術(shù)描述

富氧粉煤側(cè)吹還原技術(shù)是以多通道側(cè)吹噴槍以亞音速向熔池內(nèi)噴入富氧空氣和燃料(天然氣、發(fā)生爐煤氣、粉煤)，熔池中的物料由于受到鼓風的強烈攪動作用，快速浸沒于熔體之中，完成物理化學反應(yīng)的一種用于處理不發(fā)熱物料的強化熔池熔煉技術(shù)。

此技術(shù)特別適合紅土鎳礦的處理。熔池劇烈的鼓泡和液態(tài)渣的翻滾，產(chǎn)生了巨大的反應(yīng)界面，鐵和鎳氧化物被加熱、熔化和還原，還原生成鎳鐵水沉降分離，進入噴槍口以下的靜止渣層，在重力的作用下，渣鐵開始分離。從而在爐缸的上部形成了一層基本不含鐵的渣層，鎳鐵水則沉積在爐子底部，當?shù)揭欢亢髲蔫F口放出。礦石中的脈石(SiO2、MgO、Al2O3、CaO等)熔化后，生成具有良好性能的液態(tài)爐渣，從排放渣口放出。

1.2 技術(shù)特點

1.2.1 原料來源廣泛、物料制備簡單

可處理不同類型的紅土鎳礦，原料備料簡單，塊礦和粉礦均能使用。由于紅土鎳礦難以浮選，為原生礦，其含有20%～35%的游離水和結(jié)合水。采用富氧側(cè)吹煤粉熔融還原紅土鎳礦，僅需進行初步干燥至含物理水10%(或蒸汽深度干燥至含物理水0.3%)，直接加入側(cè)吹爐中進行熔化還原熔煉，省去了傳統(tǒng)工藝燒結(jié)、預(yù)還原等工序。

1.2.2 作業(yè)率高、安全性好

富氧側(cè)吹煤粉熔融還原爐墻為二層結(jié)構(gòu)形式，從內(nèi)到外為耐火磚、銅水套。耐火材料起隔熱作用，減少爐子的熱損失；銅水套和內(nèi)襯磚的結(jié)構(gòu)有利于冷卻和掛渣，大大延長了爐子壽命。

1.2.3 爐內(nèi)還原度可控、鎳鐵分離好、運行成本低

側(cè)吹工藝爐渣FeO含量控制在5%～20%之間，爐內(nèi)熔池處于適宜的還原強度，有利于鎳和鐵的選擇還原。如果原料為低鎂高鐵型，渣中含F(xiàn)eO量高以后，渣系主要為鐵橄欖石渣型，該渣型溫度低，需配料中添加菱鎂礦將渣系轉(zhuǎn)化為FeO-MgO-SiO2三元系，提高渣的溫至1 500～1 550 ℃，以實現(xiàn)鎳鐵的選擇性還原，有利于得到高品位的鎳鐵。

1.2.4 氧氣濃度高、熱利用率高

富氧側(cè)吹煤粉熔融還原工藝核心部件為側(cè)吹噴槍。側(cè)吹噴槍可噴吹富氧空氣和煤粉，富氧濃度達70%～90%，冶煉廢氣量小，煙氣熱損失小。通過側(cè)吹噴槍直接向熔體內(nèi)部補熱，燃料直接在熔體內(nèi)燃燒，放出熱量全部被熔體吸收，加熱速度快，熱量利用率高，可以快速有效調(diào)節(jié)熔池溫度。

新工藝處理紅土鎳礦產(chǎn)生的高溫煙氣中含30%～35%的CO，在余熱鍋爐上升煙道鼓入氧氣或空氣進行強還原性煙氣的二次燃燒，燃燒率可達95%以上(該工藝已在有色冶煉高鋅鉛渣煙化爐上成功應(yīng)用)，產(chǎn)生的熱量通過余熱鍋爐回收，產(chǎn)生的蒸汽可進行發(fā)電和送到其他蒸汽用點，使余熱得到充分利用。

1.2.5 鎳鐵有害元素含量少

由于其獨特的浸沒燃燒熔煉機理，鎳鐵合金中的有害雜質(zhì)較高爐和電爐工藝雜質(zhì)含量少，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)鎳鐵中不含硅(Si)。采用高爐工藝和電爐工藝處理紅土鎳礦得到的粗鎳鐵合金中，硅含量一般為2%～4.5%，而采用新型富氧側(cè)吹煤粉熔融還原技術(shù)，由于其屬于熔池熔煉，溫度控制在1 450～1 550 ℃，爐渣中FeO含量通?？刂圃?%～20%，SiO2會迅速與FeO氧化造渣，因此新工藝生產(chǎn)的鎳鐵水不含硅。不銹鋼廠可以利用新工藝生產(chǎn)的鎳鐵中不含硅這一特點進行低硅鐵水操作，可減少渣量，并降低造渣劑的消耗量。

(2)脫磷(P)能力強。高爐法和電爐法處理紅土鎳礦無法使用高磷原料，熔煉過程中磷幾乎100%進入粗鎳鐵中。富氧側(cè)吹煤粉熔融還原技術(shù)脫磷能力強，可適當放寬原料含磷的限制，拓寬原料來源和降低成本。紅土鎳礦、還原煤以及輔料中的磷在熔煉過程中，側(cè)吹煤粉噴槍將煤粉噴入高鐵渣熔池中，原料中少量的磷被碳還原成單質(zhì)P4揮發(fā)進入煙氣，剩余磷絕大部分進入渣中，鎳鐵基本不含磷，主要化學反應(yīng)見式(1)。

2(CaO)3·P2O5+3SiO2+10C=
4P+3(CaO)2·SiO2+10CO

(1)

(3)粗鎳鐵含硫(S)量低。富氧側(cè)吹煤粉熔融還原技術(shù)具有比高爐強的脫硫能力。在側(cè)吹爐內(nèi)，煤在熔池中高溫分解時，揮發(fā)份中的大部分硫直接進入煙氣，而只有很少一部分在向鐵滲碳時進入鐵液；紅土鎳礦原料中的硫在熔煉時進入爐渣；由于新工藝為強化熔池熔煉，爐中熔渣被強烈攪拌，鐵滴和熔渣得以充分混合，加強了渣鐵間的脫硫效果，因此，進入鐵的硫，大部分被熔渣所吸收，因此進入鎳鐵中的硫大為減少，減少脫硫帶來的額外費用。

1.2.6 能源結(jié)構(gòu)合理，燃料適應(yīng)性強

與傳統(tǒng)燒結(jié)礦- 高爐熔煉工藝相比，富氧側(cè)吹煤粉熔融還原工藝處理紅土鎳礦新工藝特征：不需使用焦炭或焦煤；可使用廣泛的煤種；有利于環(huán)保和降低成本。必要時也可用天然氣或其他燃料來代替煤粉，新工藝特別適合在基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、電力供應(yīng)缺乏的國家地區(qū)建廠，不受能源結(jié)構(gòu)限制。

1.2.7 爐內(nèi)氧勢控制靈活

可以通過調(diào)節(jié)氧氣量和加煤量來靈活調(diào)節(jié)爐內(nèi)熔池氧化還原氛圍，還可通過添加還原煤、調(diào)整渣型來實現(xiàn)鎳和鐵兩種元素的選擇性還原。

1.2.8 環(huán)境友好

富氧側(cè)吹煤粉熔融還原工藝省去了傳統(tǒng)高爐工藝處理紅土鎳礦所必需的燒結(jié)或球團等造塊工序，大大降低了有害物質(zhì)的排放，環(huán)境友好。

1.2.9 豐富的工程設(shè)計和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗

富氧側(cè)吹煤粉熔融還原工藝中的核心技術(shù)為側(cè)吹爐本體和側(cè)吹噴槍，側(cè)吹爐體和噴槍已應(yīng)用在有色金屬行業(yè)，液態(tài)鉛渣還原和鋅渣處理，中國恩菲已積累了多個有色冶煉項目側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉爐處理冷料(氧化礦、酸浸渣)和熱料生產(chǎn)廠項目的設(shè)計總包及投產(chǎn)工程經(jīng)驗。

2 工藝流程

新建全新富氧煤粉側(cè)吹還原工藝處理紅土鎳礦生產(chǎn)廠，全廠工藝流程見圖1。

紅土鎳礦原礦含物理水約33%左右，紅土鎳礦首先進入以粉煤為燃料的干燥窯進行初步脫水，將物理含水降為15%。然后經(jīng)過破碎篩分，將干燥后的紅土鎳礦加入到回轉(zhuǎn)焙燒窯中進行深度干燥焙燒。

來自干礦料倉的干燥后紅土鎳礦、還原煤、熔劑及循環(huán)熔煉煙塵通過廠房內(nèi)配備的圓盤制粒機制粒后，由膠帶輸送機送入爐前料倉，經(jīng)定量給料機、移動式膠帶輸送機連續(xù)送入側(cè)吹浸沒燃燒爐內(nèi)。

富氧空氣(約70%)和粉煤通過經(jīng)爐體兩側(cè)的浸沒燃燒噴槍鼓入熔池中，浸沒式燃燒火焰直接接觸熔體，同時噴吹的富氧空氣和煤粉攪動熔池，強化熔池的傳熱加速了反應(yīng)，使紅土鎳礦物料快速熔化，還原粒煤從爐頂加入對高鎳熔渣還原。

控制爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)α=0.6～0.7，90%～95%鎳和40%～50%的鐵被還原形成鎳鐵合金，其與雜質(zhì)和脈石造渣形成爐渣，控制爐渣含鎳小于0.1%。如爐渣含鎳較高，則停止加料，加大還原煤量進行貧化處理，達標后排放。爐內(nèi)渣層達到一定厚度后，(渣含Ni<0.1%)從位于側(cè)吹爐一端的渣虹吸口半連續(xù)地排出，放渣溫度為1 500 ℃。爐渣經(jīng)過水淬后由汽車運至渣堆場外售。

約1 400 ℃熔融態(tài)粗鎳鐵合金由側(cè)吹爐另一端兩個放出口中的一個定期放出鑄錠外賣，金屬放出口采用泥炮開口機。

側(cè)吹爐產(chǎn)生的高溫煙氣在爐體上部及上升煙道漏風，將煙氣中CO二次燃燒后，經(jīng)余熱鍋爐回收余熱，產(chǎn)生蒸汽送余熱發(fā)電。通過沉塵室及布袋收塵器除塵后，煙氣送尾氣脫硫系統(tǒng)處理，煙塵倒運返回側(cè)吹熔煉配料。

全新富氧煤粉側(cè)吹還原工藝處理紅土鎳礦工藝特點：①采用粉煤和煤，成本低；②煙氣利用余熱鍋爐回收余熱，特別是二次燃燒熱。得到的蒸汽可用作發(fā)電或其他生產(chǎn)用途；③鎳鐵品位控制靈活。

圖1 側(cè)吹浸沒燃燒熔煉處理紅土鎳礦工藝流程

3 渣型選擇

冶煉的本質(zhì)其實就是在煉渣，渣型的好壞直接決定了工藝的好壞。

紅土鎳礦主要分為褐鐵礦型和硅鎂鎳礦型兩種。褐鐵礦類型紅土鎳礦組成特點是：含F(xiàn)e較高，一般40%～50%，MgO 0～5% , SiO210%～30%；硅鎂鎳礦型紅土鎳礦組成特點是：含F(xiàn)e較低，一般15%～30%，含MgO 15%～35%，SiO210%～30%。采用還原熔煉工藝后，由于該法屬于熔池熔煉，可通過改變爐內(nèi)的還原氛圍實現(xiàn)鎳鐵的選擇性還原性。由于金屬鎳熔點為1 450 ℃，冶煉熔渣溫度必須在該溫度以上。

根據(jù)上述原則，紅土鎳礦熔池熔煉工藝處理紅土鎳礦的冶煉渣型如下所述。

3.1 褐鐵礦型紅土鎳礦冶煉渣型

該類型紅土鎳礦石中，主要成分含量大致為FeO 55%、MgO 5%、SiO29%。

如產(chǎn)品要求制備高品位鎳鐵，則要求鐵的還原度較低，約50%～60%，造成渣中含F(xiàn)eO較高，約30%，渣系主要為FeO-SiO2鐵橄欖石渣，該渣型熔點低，無法實現(xiàn)鎳鐵的熔池熔煉。因此為提高渣的熔點，配料添加白云石或菱鎂礦將渣系轉(zhuǎn)化為FeO-MgO-SiO2三元系，提高渣的熔點>1 500 ℃，以實現(xiàn)鎳鐵的選擇性還原，有利于得到高品位的鎳鐵。典型的渣型為：FeO 20%～30%，MgO 20%～30%，SiO2約40%。

如產(chǎn)品要求制備低品位鎳鐵，則鐵和鎳的還原度高達95%以上，爐渣中主要成分為SiO2和少量的MgO，在熔池熔煉條件下，配料添加石灰石將渣系轉(zhuǎn)化為CaO-MgO-SiO2三元系，提高渣的熔點>1 450 ℃，以實現(xiàn)鐵的充分還原，得到較高鐵回收率。典型的渣型為：CaO約40%，MgO約10%，SiO2約33%，Al2O3<15%。

3.2 硅鎂鎳礦型紅土鎳礦冶煉渣型

該類型紅土鎳礦石中，主要成分為兩種，一種為低鎂型，另一種為高鎂型。

硅鎂鎳礦通常含鎳較高，一般在1.4%以上，通常制取高品位鎳鐵，因此應(yīng)控制工藝條件為鎳最高還原率和鐵最低還原率。

對于上述兩種硅鎂鎳礦類型的紅土鎳礦渣型，主要控制MgO/SiO2=0.5～0.75，F(xiàn)eO 10%～25%。通過配料添加白云石或菱鎂礦將爐渣組成轉(zhuǎn)化為FeO-MgO-SiO2三元渣系，控制渣溫1 500～1 550 ℃，以實現(xiàn)鎳鐵的選擇性還原。

由于電爐采用電極加熱，因此其特別適應(yīng)高熔點渣型，允許使用高鎂渣型，熔點可達1 600 ℃以上。

采用高爐冶煉紅土鎳礦則對渣型要求較高，由于紅土鎳礦主要成分為低鐵、低鈣，高鎂高硅的特殊性，特別是MgO含量較高而CaO含量較低，造渣制度難以參照現(xiàn)代高爐煉鐵工藝的造渣制度，否則渣量將過大，能耗將非常高，同時改變了高爐內(nèi)部熔融態(tài)渣和鐵水的體積比，造成渣層過厚，熱量難以傳到爐缸下部，引起液態(tài)鎳鐵溫度低不易流出。因此根據(jù)渣型特點，很好解釋了為何高爐僅能適應(yīng)高鐵低鎂類型紅土鎳礦。對高爐來講，其液態(tài)渣一旦落入熔池便無法還原，同時意味著Fe/Ni值無法調(diào)整，而采用側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝處理紅土鎳礦則不會出現(xiàn)該問題。

側(cè)吹浸沒燃燒熔煉屬于強化熔池熔煉工藝，通過噴槍浸沒于液態(tài)渣層中，對渣層進行攪拌。通過調(diào)整還原煤加入量，可方便的調(diào)整爐渣中鐵的還原度，鎳鐵品位可根據(jù)需求靈活調(diào)整。同時由于側(cè)吹爐可靈活調(diào)節(jié)金屬層和渣層的厚度，對渣和鎳鐵金屬量比有寬泛的適應(yīng)性。

4 工程案例

從側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉的長期性、穩(wěn)定性以及獲得經(jīng)濟指標的先進性等方面考察，其大規(guī)模工業(yè)化條件已經(jīng)成熟，再加上投資的節(jié)約性及配置的緊湊性，采用富氧側(cè)吹煤粉熔融還原工藝處理紅土鎳礦前景是樂觀的，該技術(shù)將是傳統(tǒng)紅土鎳礦工藝升級改造的首選技術(shù)。

現(xiàn)以建設(shè)一座年處理50萬t紅土鎳礦(干基)規(guī)模工廠，冶煉原料選取典型紅土鎳礦(干礦含鎳1.8%)為例，簡要分析其產(chǎn)品規(guī)模、原輔材料及工藝流程、設(shè)施配備、投資估算及主要經(jīng)濟評價指標。

4.1 生產(chǎn)規(guī)模及要求

鎳鐵： 50 000 t/a；品位：16%。

4.2 原料、燃料及輔助材料

以高品位紅土鎳礦為原料，燃料為粉煤和塊煤，輔助材料主要為石灰石。

年需要紅土鎳礦50萬t(干基)，其主要成分見表1。紅土鎳礦含自由水33%，結(jié)晶水10%，礦石粒度≤100 mm。

表1 紅土鎳礦成份 %

還原煤與煤粉均采用同一種褐煤，每公斤最低發(fā)熱量18.96 MJ，其主要成分見表2。

表2 褐煤成分 %

4.3 工程設(shè)施及主要設(shè)備

富氧側(cè)吹煤粉還原爐：50 m2；余熱鍋爐：60 t/h(蒸發(fā)量)P=4.4 MPa；氧氣站：深冷，15 000 Nm3/h，P=0.6 MPa。

4.4 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

采用側(cè)吹浸沒燃燒熔池熔煉工藝處理Ni 1.8%紅土鎳礦主要技術(shù)指標見表3。

4.5 與其他火法冶煉工藝加工成本對比

采用相同原料和價格體系對不同工藝處理Ni 1.8%紅土鎳礦成本進行了對比，計算結(jié)果見表4。

通過表4可看出，同一紅土鎳礦采用側(cè)吹浸沒燃燒工藝，與其他電爐和高爐工藝相比，成本有較大優(yōu)勢。側(cè)吹工藝成本低的主要原因：僅使用廉價的褐煤或煙煤；采用高富氧操作，煙氣帶走熱量大為減少；冶煉工藝為熔池熔煉工藝，反應(yīng)速率快，床能率高。

結(jié)合新工藝的成本優(yōu)勢，又對比傳統(tǒng)上使用濕法工藝處理的含鎳1%的低品位紅土鎳礦進行了側(cè)吹浸沒燃燒工藝成本核算，見表5。

根據(jù)核算結(jié)果，其噸鎳直接加工成本約58 698.37元，相較傳統(tǒng)工藝電爐法和高爐法具有較大的成本優(yōu)勢，并提供了一種處理含鎳低于1.4%紅土鎳礦先進的、經(jīng)濟的火法冶煉工藝。

表3 Ni1.8%紅土鎳礦主要技術(shù)指標

表4 Ni 1.8%紅土鎳礦不同工藝處理成本對比

5 新技術(shù)應(yīng)用前景展望

側(cè)吹浸沒式燃燒熔池熔煉工藝(SSC技術(shù))在有色金屬工業(yè)已有較多成功生產(chǎn)實踐，富氧側(cè)吹煤粉熔融還原工藝具有工廠建設(shè)投資省、金屬回收率高、產(chǎn)品成本低、資源綜合利用水平高、綜合能耗低、作業(yè)環(huán)境優(yōu)良等優(yōu)點。該技術(shù)可擴展應(yīng)用在以下幾個方面：①銅渣處理，用于制備含銅不銹鋼的鐵銅合金原料；②含鉻原料的處理，與紅土鎳礦搭配制備特種不銹鋼原料；③其他不發(fā)熱的含鐵、鎳、鉻等二次固廢的高溫火法熔融處理和有價金屬的回收。

表5 Ni 1.0%紅土鎳礦技術(shù)指標

綜上，富氧側(cè)吹煤粉熔融還原爐將向多功能化、爐體大型化、高床能率化、長壽命化進行優(yōu)化和提升，應(yīng)加快研發(fā)單臺年原料處理能力為100萬t的高效熔煉爐。該技術(shù)作為我國冶煉行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域工藝技術(shù)升級的首選技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。