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MHF炼钢副产物回收及铁矿石预还原熔炼新工艺(中)  

2018-06-09 17:49:25|  分类: 工业和生活垃圾处 |  标签: |举报 |字号 订阅

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翻译:吉建斌

PRIMUS工艺

    固态还原剂(如煤粉)与含有金属氧化物成分的物料(如铁矿粉)一起加入炉内,两种物料在之前无需进行混合处理。在炉膛内,所有的物料共同经历几个加工步骤,包括干燥(100°C)、脱油(400°C,若含有油类成分时)、高温处理(1050°C)过程。由于机械搅拌部件的强烈搅拌作用及高温条件,金属氧化物的还原反应在最后一个高温加工阶段的料层中进行,还原反应过程中产生的过量一氧化碳气体由料层中逸出进入气相氛围,随后立即与直接喷注到固体物料层上方空间内的工艺空气发生燃烧反应。如图4所示,在炉膛中可自发地形成两个具有不同“还原势(reducing potential)”的区域,一个位于料层内部(具有很高的还原势),另一个位于氧化性氛围的气相环境内。在气相环境中,一氧化碳、挥发出的油类、以及煤炭挥发分与工艺空气发生的“后燃反应”(即“层燃”,一种非控制性燃烧过程,译者注),足以使炉温维持在工艺所需的1000到1100°C范围,在稳定运行状态下,PRIMUS工艺过程无需补充其它的外来能源(燃料)。在氧化铁(铁矿石粉或氧化铁屑)还原过程中,完全能够确保炉膛内发生彻底的工艺气体完全后燃(postcombustion)反应,这种彻底后燃功能以及相对较低的加工温度要求(1100°C),使得PRIMUS工艺具有极高的能源利用效率。

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图注: (1)EVAPORATION OF VOLATILE COMPONENTS AND EXTRACTION WITH OFFGAS (Zn, Pb, Cl, Na, K):挥发性组分逸出,以及散逸到气相中的、被工艺尾气提取出来的元素(锌、铅、氯、钠、钾等); (2)MIXING OF IRON OXIDE (ORE OR STEEL MILL WASTE) WITH COAL:氧化铁(铁矿石或炼钢厂废弃物料)与煤炭的混合物; (3)RADIATION HEAT:热能辐射; (4)AIR:工艺空气; (5)COMBUSTION ZONE OXIDIZING ATMOSPHERE:具氧化氛围的燃烧区; (6)INTERFACE BETWEEN REDUCING AND OXIDIZING ATMOSPHERE:还原区与氧化氛围区的工艺界面; (7)REDUCING ATMOSPHERE IN MATERIAL LAYER:料层内部呈还原氛围; (8)REACTIONS:反应过程

图4:炉内的冶金过程原理图

当PRIMUS工艺的加工目标是对含有氧化锌和氧化铅的炼钢副产物(例如:由吹氧炼钢过程产生的污泥或粉尘、或者由电弧炉炼钢过程产生的粉尘)进行加工处理时,在固体料层内部除了发生氧化铁的还原反应之外,同时出会发生重金属氧化物的还原反应,但与铁不同之处在于,还原生成的金属锌和铅能够以“金属烟气(metallic fumes)”形态从料层中逸出进入气相环境,并随即被氧化性气相环境“二次氧化”,生成的氧化锌和氧化铅被工艺烟气携带并离开多膛炉炉膛,在炉子下游的袋滤机装置中以“尘粒”形态被过滤并分离出来。除了锌和铅之外,固体原料中的碱金属化合物也一并逸出进入气相并在袋滤机中分离脱除。

因此,PRIMUS工艺能够从铁基原料中分离出重金属锌和铅、碱金属钠和钾、以及氯元素,脱除了上述挥发性组分元素之后获得的“冶炼后的铁精矿”产品中含铁量大幅提高,可回用到钢产品的生产过程进行二次使用。与此同时,以滤尘形态回收的挥发性元素含量水平也要比原材料高得多,例如:滤尘中锌含量可达到50%到60%,完全可做为附加产品销售给锌加工业做为原料使用。

图5显示的是适合处理加工铁矿石、轧屑(氧化皮)、高炉污泥和铁鳞等原料的PRIMUS基本工艺流程,多膛炉是该工艺的核心设备,炉子的容积和炉床数量依据待加工原料的数量和质量而定,为可变性设计参数。一般采取从最顶部将全部固体物料加入炉内的设计方案,但也可依据工艺要求将煤或其它添加物料由其它的不同炉膛位置加入炉内。最终产物为DRI(直接还原铁)或铁精矿,由炉内卸出后,经过冷却再输送到后继的加工工序。这种最终产物为组成均匀的细颗粒状态,可采取气力输送或者进行磁选分离处理。

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图注: (1)IRON ORE;HF/BOF SLUDGE;MILL SCALE;EAF DUST:铁矿石、HF(高炉,高频电炉)或BOF(氧气顶吹转炉)回收的含铁污泥、轧钢过程产生的氧化皮、电弧炉回收粉尘; (2)COAL:煤炭; (3)POSTCOMPUSTION AIR:维持“后燃(层燃)”过程用的工艺空气; (4)COOLING OF DRI:直接还原铁产品的冷却处理; (5)DISCHARGE HOPPER:卸料贮槽; (6)DRI/IRON CONCENTRATE:直接还原铁产品或铁精矿产品; (7)OFFGAS:工艺尾气; (8)CYCLONE:旋风除尘器; (9)FINES RECYCLING:返回到炉中二次加工的细粉状物料; (10)POSTCOMBUSTION:后燃烧装置; (11)COMBUSTION AIR PREHEATING:(加入多膛炉的)后燃(层燃)工艺空气预热装置; (12)WATER INJECTION:水喷淋(洗气)处理; (13)FILTER:过滤装置; (14)DUST (ZnO, PbO):回收的粉尘产物(氧化锌、氧化铅); (15)CHIMNEY:烟囱

图5:通用性PRIMUS工艺流程

炉内的工艺尾气与固相物料呈反方向流动,最后由炉顶排出,采用一台旋风除尘器将尾气中的颗粒粉尘脱出并返回到炉内进行二次加工,旋风除尘器之后的尾气净化处理系统由根据工艺要求及环保技术要求而定。本流程图中的尾气处理装置包括:后燃烧室、热能回收装置、气体冷却装置和过滤装置。

图6给出的是经过进一步改进后的PRIMUS工艺流程,特别适合于处理EAF(电弧炼钢炉)回收粉尘,该工艺过程的主要加工目标是获得纯度高达90%以上的氧化锌收尘产品。采取的对应措施是对混合收尘产品中的铅、碱金属和氯等元素与锌元素相互分离。

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图注: (1)EAF DUST:电弧炼钢炉回收粉尘; (2)COAL:煤炭; (3)AIR:工艺空气; (4)COOLING:产品冷却槽; (5)IRON CONCENTRATE:富铁精矿产品; (6)DISCHARGE HOPPER:卸料贮槽; (7)CALCINING STAGE: VOLATILISATION OF Pb AND ALKALIS:焙烧区-铅和碱金属逸出进入气相; (8)REDUCTION STAGE: VOLATILISATION AND POSTCOMBUSTION OF CO AND Zn:还原反应区-一氧化碳及金属锌逸出进入气相并发生后燃; (9)OFFGAS:工艺尾气; (10)OFFGAS CLEANING:工艺尾气净化处理; (11)POSTCOMBUSTION:后燃烧处理; (12)ZnO CONCENTRATE:氧化锌精矿产品

图6:电弧炼钢炉收尘的加工处理流程图

    在添加还原剂之前,先在氧化性气氛中将电弧炉收尘加热到950到1050,在这一工序,前述可挥发性元素发生蒸发并被选择性的提取,并采取袋滤机进行分离。上述步骤完成后,向残留物料中添加还原剂,在较低位置的炉段内发生锌的还原和蒸发过程,含有氧化锌的还原段工艺尾气由第二个尾气排出管路引出,分离后获得富氧化锌的精矿产品。

3、实验室和中试试验

    为开发PRIMUS工艺,PAUL WURTH S. A.公司业已建设了两套试验装置:(一)一套能够完成大量冶金试验的实验室反应装置;(二)一套包括所有工业化设计所需单元设备和系统在内的中试试验装置。

实验室装置

    这套装置及其附属系统现场照片见图7。反应炉为单膛设计,可进行间歇逐批式试验。炉子内径为0.5米左右,中轴上安装有两支耙臂,一支安装有前向耙齿,而另一支则安装有后向耙齿。每批次试验可加入10到15公斤原料,也可以在每次试验过程中将这些物料分批、分步骤加入炉内。所有与试验效果评价相关的参数全部予以记录,在整个试验周期内,每间隔一定时间就取样一次并进行工艺性能分析,每次试验结果均制作成一系列随加工时间而变化的性能结果曲线图。

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图7:实验室用小型试验炉装置

    图8给出的是不同物料的典型冶金学可加工效果,相似的一组曲线分别用来评估各种工艺因素(如温度、粒度、还原剂质量水平等)对冶金效果的影响程度。而图9给出的则是电弧炼钢炉收尘做原料时具代表性的处理加工效果,对这一特定应用实例中,原料首先经过加热和钙化(calcified,原文如此,应为“焙烧”calcined之误。译者注)处理,焙烧加工完成之后再加入煤粉做还原剂,此类图线用来确定在焙烧加工阶段单独提取氯、碱金属和铅,以及在还原反应阶段回收锌所需的加工时间和各种相关参数的控制范围。对这些曲线进行系统性模拟分析能够进一步揭示其它方面的相互关系,例如,可以获得脱锌处理程度与冶金化加工程度之间的关联关系。

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图注: (1)time in minutes:处理时间,分钟; (2)degree of metallization in %:金属化率,%; (3)mill scale:轧屑/炼钢过程产生的氧化皮; (4)sludge:(含铁)污泥; (5)iron ore fines:铁矿粉

图8:金属化加工效果

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