MITTAL南非直接还原铁厂扩建生产线工艺与设备.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 6 ．0 l1 M I T T A L 南非直接还原铁厂 扩建生产线工艺与设备 彭达顺高磊徐晓辉袁朝新 北京矿冶研究总院北京 1 0 0 1 6 0 摘要介绍M I T T A L 南非直接还原铁厂第五和六号生产线的工艺流程，简述原料系统、回转窑、冷却器、产 品分离和烟气处理系统的设备特点和操作情况，总结设计、试运行及生产中的经验。 关键词直接还原铁；产品分离；烟气净化；回转窑；冷却器 中图分类号T F 5 5 1文献标志码A文章编号2 0 9 5 - 1 7 4 4 2 0 1 2 0 6 0 0 5 9 - 0 4 直接还原铁 D R I ，又称海绵铁 是铁精粉或氧化铁 在炉内经低温还原形成的以铁单质为主的低碳多孔状物 质，其杂质含量少，化学成分稳定，粒度均匀，主要用于 替代废钢、生铁块作为电炉炼钢的优质原料，也可作为 铸造、粉末冶金工艺的原料。近十年来随着电炉炼钢的 发展，废钢的来源不能满足要求，且废钢中的非金属材 料和有色金属比例增加使废钢质量下降，如果添加一定 比例的直接还原铁 3 0 ％- 5 0 ％ 作为稀释剂与废钢搭配可 以改进电炉出钢周期、改善钢材质量、增加钢材品种和 降低成本。 由于适用废钢的来源不足和成本问题，M I T T A L 南 非钢铁厂电弧炉车间原有的三台电炉不能满负荷运行。 为经济有效地运行三台炉，需要扩建两条煤基回转窑直 接还原铁生产线。扩建项目主要由北京矿冶研究总院承 担，工程服务范围包括施工图设计、采购、设备和材料运 输、施工、质量控制和投产试运行。投产后单条生产线实 现年产1 7 ．5 万t 还原铁，产品金属化率为9 0 ％～9 4 ％，还 原铁厂产量从已有的7 0 万t 增加到1 0 5 万t 。 1 工艺流程 直接还原铁法是指在低于熔化温度之下将铁矿石 还原成海绵铁的炼铁生产过程。按还原剂的不同可分为 煤基直接还原铁和气基直接还原铁。与高炉法相比，直 接还原法的优点有取消了焦炉和烧结等工序，流程短， 污染少；不用焦炭，不受炼焦煤短缺的影响；海绵铁中硫、 磷等有害杂质与有色金属含量低，有利于电炉冶炼优质 钢种。直接还原法的缺点是规模小，对矿石和燃料要求 较高，气基要有天然气，煤基要用灰熔点高和反应性好 的煤。由于南非非焦炭煤和块铁矿相对便宜、质量好，回 转窑煤基直接还原铁在当地是最经济的方案。 M I T T A L 还原铁厂已有4 条1 9 8 1 年设计的生产线， 1 9 8 4 年投产并运行至今。新建的5 号和6 号还原生产线 的工程范围主要包括一套原料储存和配料系统、两条回 转窑、两台冷却器、两套烟气热量回收和烟尘收集系统、 一套磁选分离系统。两条生产线对称布置。 新生产线工艺流程如图1 所示。各备料仓定量向回 转窑供给矿石、白云石和煤，另一部分煤由窑头和窑尾 两处喷入。窑出料端的风机和窑体上的二次风机向窑内 提供燃烧空气。炉料随窑体的转动从进料端向出料端移 动，矿石在高温下被还原成海绵铁。} 昆有少量残炭的海 绵铁产品从回转窑进人冷却器，经冷却后由皮带机送往 分离车间，用筛分和干式磁选的方式将海绵铁与非磁性 物质分离，海绵铁进入产品仓，残炭送到原有烧结厂。还 原烟气经二次燃烧、余热锅炉换热冷却、电除尘器净化 后由烟囱排出。 收稿日期2 0 1 2 0 4 1 8 作者简介彭达顺 1 9 8 0 一 ，男，南宁市入，工程师，硕士，主 要从事提取冶金与化学工程等方面的研究。 2 0 1 2 年第6 期5 9 万方数据 吼金缸覆 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R I N G 图1 直接还原铁生产线工艺流程 2 原料及其处理系统 典型的原料种类与用量见表1 。其中所用矿石是 S i s h e n 矿石，典型化学成分见表2 。所用还原煤为特兰萨 尔的次烟煤，化学成分见表3 。所用白云石是G l e nD o u g l a s 的白云石，化学成分见表4 ，如果矿石和煤中含硫不高， 可不使用白云石。 细煤 0 - 5m l T l 的混合煤，两种煤的配比为4 3 。 矿石和白云石适当加以破碎和筛分后运到原料仓， 原料仓共6 个，每条生产线3 个。粗煤仓、矿石仓和白云 石仓的储存能力分别为3 3 5 ，8 5 0 和5 0t 。为了保证连续 向回转窑供应配比准确的混合料，所有料仓都配备合适 的振动给料机和申克皮带秤，矿石、煤、白云石称量后经 8 0 01 T i m 混合皮带输送到回转窑进料端。 表1 原料用量 ／ t h 4 3回转窑系统 成分固定碳挥发分灰分 S H O 结焦系数 矿石、煤和白云石由有轨矿车卸载到豆荚形的堆场， 然后由皮带系统运到原有的粉碎、筛分工厂。块煤被粉 碎筛分成两种不同的粒度分别储存。原料配煤和窑尾喷 煤使用的是粗煤 5 ～1 6r a m ，窑头喷煤使用的是粗煤和 3 ．1 回转窑特点 还原回转窑是生产线的核心设备，它的设计主要根 据矿石处理量、矿石停留时间、矿石反应特性和燃料性 质确定。回转窑按炉料容积处理量4 5k g ／ m 3 - h 、矿石投 料量3 5t ／I l 、炉料停留时间8h 进行设计。生产线窑体长 8 0m ，刚体内径4 ．8m ，由三套滚圈和拖轮支撑。每条窑 的主传动设备为两台交流变频电机，单台功率2 5 0k W ， 可使窑的转速在0 ．1 0 ．9r ／m i n 范围内调节，窑体正常转 速为0 ．3 5 ～0 ．4 2r ／m i n 。窑辅助传动电机为2 2k W ，转速大 约0 ．0 2 6r ／m i n 。窑体头部和尾部各设置有人孔，以方便 维修。 回转窑耐火材料以2 3 0m l T l 厚高铝砖为主，采用干 法砌砖，局部采用高铝浇注料”】，内部不设置挡料圈，物 料在窑内的停留时间由回转窑的转速控制。一般情况下， 物料停留时间为8h ，其中有5h 处于9 0 0 ℃以上。 回转窑头部设有进料端罩体，矿石、煤和白云石通 过罩体上的耐热钢进料溜槽进入窑内。进料端罩体底部 有开孔，调整窑的转速使少量装入料从给料端溢出，保 证窑内料层达到最大值，从而最大限度地增加物料停留 时间和回转窑的处理能力。回转窑溅出的物料进入斗式 6 0 E n g i n e e r i n gD e s i g n 万方数据 提升机，再返回给料溜槽。 回转窑尾部设有出料端罩体，回转窑产品经过罩体 进入冷却器，回转窑出料端为移动式设计，以方便更换 窑内衬里。回转窑卸料端有两个观察门，可直接观察窑 内反应情况。喷煤口和开炉使用的辅助燃烧器也安装在 罩体上。 原有的1 ～4 号生产线窑头密封装置均采用轴向气缸 密封结构，每个密封面采用1 6 个气缸压合。气缸密封装 置存在密封效果欠佳、漏风量大、维修工作量大和操作 费用高等问题。新生产线采用迷宫密封和弹簧板压片密 封相结合的方式，没有烟气外漏现象，现场作业环境大 大改善，维护费用显著降低【2 J 。 3 ．2 喷煤技术 喷煤的目的是提供热量和补充还原剂、控制窑内不 同距离的反应气氛、避免局部温度过高和结圈。与1 ～4 号生产线相比，5 号和6 号生产线除了保留出料端喷煤外， 增加了进料端喷煤”】，有利于提高和控制预热段的温度， 从而延长还原段，增加物料停留时间，并提高产量。 每套喷煤设备配两台D N 2 5 0 星形给料阀，一用一备。 喷煤动力可采用罗茨风机或工厂压缩空气，通过控制喷 煤风量和风压得到合理的喷吹距离和粒度分布。 3 ．3 温度控制 根据煤和矿石的反应性，炉料温度在预热段控制在 8 5 0 ～9 0 0 ℃，反应段控制在9 5 0 ～11 5 0 ℃，卸料温度9 0 0 ℃， 废气温度8 5 0 ～9 5 0 ℃。窑壳上安装有1 0 组共1 2 个带保护 套管的快速热电偶，热电偶能够连续测定窑内固相和气 相的温度，并通过无线传输技术传输到控制室，由计算 机显示和记录温度变化趋势。 回转窑内各个点的温度由喷煤和供风技术共同控制。 合理的温度调节不仅有利于稳定产品质量，还可使耐火 材料表面的炉料粘结速度等于磨损速度，保持内部耐火 材料表层结圈的厚度，从而延长窑龄。 窑内供风由一次供风和二次供风组成，两者比例为 1 5 。一次风机位于回转窑出料端，规格为1 20 0 0m 3 ／h ， 80 0 0P a 。8 台二次风机沿壳体长度方向均匀分布，每 台风机配套特殊耐热钢制作的埋人式喷嘴，风机规格为 80 0 0m 3 ／h ，30 0 0P a 。二次风机每个风管上安装有手动 蝶阀调节风量，主要目的是控制挥发分的燃烧速度，调 节回转窑内各个点的温度。 3 ．4 压力控制 回转窑的进料端和出料端罩体设有两个压力传感器。 通过调节电除尘器后面的主引风机的启动阀门开度，使 还原窑内保持一5 0P a 的微小负压，限制漏人窑内的冷风 量，确保窑内气体不外冒。 4 冷却器 从回转窑卸出的还原铁矿和残炭灼热} 昆合物，经由 内衬耐火材料的中转溜槽进入回转式冷却器。冷却筒顶 部布置有一条水槽，水槽内的水连续均匀喷淋在简体上， 将物料冷却到1 2 0 ℃以下。冷却器筒体上有无线传输的 超温报警装置，特殊情况下使用冷却器出料端罩体的直 接喷淋装置向冷却器内部喷水降温，可保护传送皮带。 冷却器进料温度9 0 0 ℃、炉料处理量2 5t ／} l 、炉料停 留时间4h 。筒体长5 0m ，内径3 ．6m ，倾斜度2 ．5 ％，由 两个支座支撑。其主传动为两台1 3 2k W 交流电机，可在 0 ．3 9 1 ．3 0r ／m i n 范围内调整转速。辅助驱动电机两台，单 台功率1 5k W ，微调／盘车速度0 ．0 3 7r ／m i n 。 冷却器前段1 0m 长度有2 3 0m m 厚度的耐火材料衬 里，避免热料损坏壳体和托轮。冷却器后段4 0r f l 有挡料 板，以增加料层厚度，保证物料停留时间。出料端为密封 的出料装置，设有格筛和双层翻板阀，格筛过筛粒度设 计为一5 0m m ，筛上的大块物料经格筛端部排入废料堆， 筛下细炉料进入双层翻板阀，由皮带运到产品分离车间。 5 产品分离 两条生产线共用一套产品分离系统，其最大处理量 为9 6t ，h ，间断工作。系统由6 0 0m m 皮带输送组、产品 中间仓、链环式斗式提升机、双层振动筛 0 ～2 ，2 ～2 5 和 2 5 ～5 0m m 、单层振动筛 0 ～1 和1 ～2m m 和永磁干式磁 选机组成，流程如图2 所示。在产品分离车间和冷却器 之间有一个10 5 0t 容量 储存量为1d 的中间仓，起到 缓冲的作用，在分离车间停止运行时产品可先进入中间 仓缓存。磁选出来的产品主要指标是T F e9 1 ％，金属铁 8 5 ％，金属化率9 3 ％，含硫O ．0 2 ％，含碳0 ．0 2 ％～1 ．0 ％。 6 烟气处理 在回转窑进料端排出约9 0 0 1 S 、9 50 0 0m 3 ／h 的烟气， 这些烟气中含有煤粉、C O 等可燃成分。回转窑烟气首先 进入沉降室除去粗粒粉尘，再进入立式燃烧室和新助燃 风混合将可燃成分燃尽，烟气温度由电收尘器回流烟气 及气液两相喷雾自动控制，进入余热锅炉的烟气温度要 控制在8 5 0 ～9 8 0 ℃。锅炉产生的蒸汽量5 0t ／l l ，压力6 ．6 M P a ，用于汽轮机发电。经过余热锅炉降温后的烟气进 入电除尘器，净化至含尘量少于3 0m g ／m 3 ，再由1 3 00 0 0 m 3 ／h 、风压25 0 0P a 的主引风机抽送到烟囱。电除尘器设 计过滤速度为0 ．5m ／s 、面积为1 2 8m 2 ，根据出口烟气含 尘量选用三电场除尘器。烟气处理系统的设备规格参见 文献[ 4 ] 。 沉降室和燃烧室的烟尘落入水淬槽，由刮板机刮入 移动式料斗，再采用叉车运走。 2 0 1 2 年第6 期6 1 万方数据 看么金屈工程N O N F E R R 0 _ S M E T A L SE N G I N E ．。E ⋯R I N G 』海绵铁及残炭、灰尘 △残炭、白云石和灰尘送往烧结厂 图2 产品分离系统流程 余热锅炉和电除尘器收集下来的灰尘使用气力输送 系统送到灰仓，灰尘经加湿螺旋增湿后由有轨车运走。 7 经验和建议 新建生产线工艺流程通畅、自动化程度高，在流程 布置上重点考虑设备操作和检修的便利性，提供便于检 查、更换、清洁、润滑和维修设备的工作环境，使维修成 本和雇佣人数降到最低水平。在设备采购和加工上充分 考虑了设备的可靠性和部件在当地的可替代性，绝大部 分设备和零件由中国厂家按国际通用标准提供。 然而在投产试运行时期也出现了一些问题，应引起 重视。1 根据合同的要求，产品分离车间的皮带输送机 均采用6 0 0m m 宽度的皮带，实践证明过窄的皮带容易 造成物料飞溅，导料槽容易损坏。2 当地春夏交替期问 降雨量大，矿石和煤含水量高，采用普通的振动给料机 很容易引起物料在振动给料斗内壁上粘结，振动给料设 备需添加防粘结内衬。3 分离车间采用的是环链式斗式 提升机，尽管环链采用的是耐磨材质，但是由于产品有 极强的磨蚀性，导致链环快速磨损，一般5 ～7d 就需要维 修一次，影响了正常生产。4 斗式提升机、皮带输送机、 喷煤星形给料机的轴承均需要良好密封，减少粉尘对轴 承的损伤。5 回转窑内的耐火材料采用的是干法砌砖工 艺，必须严格控制耐火砖的尺寸误差和回转窑筒体的圆 度，以保证砌砖质量。 参考文献 [ 1 ] 霍慧芳，彭达顺，常耀超，等．直接还原铁回转窑耐火材料 的选配、设计与施工[ J 】．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 0 5 4 9 5 0 ． [ 2 ] 杨荣山，常耀超，梅玉伟．直接还原铁回转窑密封装置改造 [ J ] 有色金属 冶炼部分 ，2 0 11 1 4 9 5 1 ． [ 3 ] 常耀超，何国华，霍慧芳，等．南非M i t t a l 直接还原铁项目 回转窑工艺技术特点[ J ] _ 矿冶，2 0 1 0 ，1 9 3 6 6 6 8 ，7 4 ． [ 4 ] 彭达顺，霍慧芳，袁朝新，等．M I T T A L 南非直接还原铁厂 烟气处理系统[ J 】．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 7 6 1 6 3 ． 6 2 E n g i n e e r i n gD e s i g n万方数据