环保技术的祖宗十八代|第二篇·转底炉

从2017年接触环保，我就没听说转底炉这个词，直到2022年去某市参观学习才知道有一个这设备，而且还是保密状态，目前国内也没有就这个转底炉相关的环保要求，介绍的人很实在，说这是我们从日本那边看到的，为了去除瓦斯灰里面的锌(Zn),因为这玩意危害很大，具体危害随后介绍，随后他们和某公司合作建成了国内第一座转底炉。这两年一直在不停的修改，现在比以前好多了。我一听这么好的东西值得呀，然后我觉得自己可以省心，然后百度了下转底炉，结果我发现了和我看到不一样的转底炉介绍：转底炉直接还原技术是铁矿粉（或红土镍矿、钒钛磁铁矿、硫酸渣或冶金粉尘、除尘灰、炼钢污泥等）经配料、混料、制球和干燥后的含碳球团加入到具有环形炉膛和可转动的炉底的转底炉中，在1350℃ 左右炉膛温度下，在随着炉底旋转一周的过程中，铁矿被碳还原。当铁矿粉含铁品位在67%以上，采用转底炉直接还原工艺，产品为金属化球团供电炉使用；当矿粉含铁品位低于62%时，采用转底炉——熔分炉的熔融还原铁工艺，产品为铁水供炼钢使用。通常金属化率可达80%以上，金属化球团可作为高炉原料。转底炉煤基直接还原是最近30 年间发展起来的炼铁新工艺，主体设备源于轧钢用的环形加热炉，虽然最初的目的只是用于处理含铁废料，但很快就有美国、德国、日本等国将其转而开发应用于铁矿石的直接还原。由于这一工艺无需燃料的制备和原料的深加工，对合理利用自然资源、保护人类环境有积极的作用，因而受到了冶金界的普遍关注。在20世纪50年代，美国Midrex 公司的前身Ross 公司就发明了含碳球团的转底炉直接还原法方法，于1965~1966 年在明尼苏达州的Cooley 进行了2t/h的小规模热固结法试验，获得了成功，后取名为Fastmet工艺。1974年，加拿大的国际镍集团——Inmetco公司开始研究把转底炉用于还原该公司生产不锈钢的氧化物粉尘废料，经转底炉预还原的金属化球团，直接热装入电炉生产，同时将其命名为Inmetco工艺。之后，二者各自申请了专利，并开发和转让技术。当以 Fastmet 和Inmetco 工艺为代表的两大转底炉工艺在不断进行转底炉工业化生产和推广的时候，产品硫含量过高的问题始终未得到很好解决，难以成为电炉的优质原料， 因此相继出现了Fastmelt、Redsmelt 等转底炉直接还原?埋弧式电炉熔分的双联工艺（RHF?SAF）。日本神户制钢与美国 Midrex 公司联合开发转底炉直接还原新工艺，在20 世纪90 年代中后期取得了突破性进展，使金属化球团在转底炉中还原时熔化，生成铁块(Nuggets)，同时脉石也熔化，形成渣铁分离。此法的成功，将解脱DRI 对原料品位的苛求，能用普通的高炉用铁矿为电炉提供优质铁料。因此意义重大，被命名为“第三代炼铁法”(Itmk3)。建于美国明尼苏达州北部，年产能为25000t的Itmk3 转底炉示范厂，已于2003年5月24日投产出铁。预计Mesabi Nugget LLC 将于2006 年在美国Minnesota 或者位于Indiana 的美国钢铁动力公司附近建成第一台50 万t 转底炉，到2007年建成年产能150 万t Iron Nugget 的生产厂。根据国内的铁矿资源和能源结构，开发具有投资少、操作简便、生产成本低等特点的转底炉工艺符合我国国情以及我国的产业政策。北京科技大学是国内第一家，也是迄今为止唯一一家转底炉工艺的研究单位。经过多年的基础研究和工艺开发，已经全面掌握了转底炉的工作原理、工艺和相关的设备设计、制造等配套技术。自主开发了转底炉?熔融造气炉双联炼铁工艺和煤基热风熔融还原炼铁工艺(Coal，Hot-air，Rotary Hearth Furnace Process，简称CHARP) [1]  。长期以来，北京科技大学一直致力于含碳球团还原的机理和实验研究，获得了大量的理论依据和实验数据，充分证明由含碳球团自还原作用生产金属铁是完全可以实现的。在此基础上，开始了大量的半工业、工业试验。1992 年，北京科技大学和当时的舞阳钢铁公司合作，自行设计和建设了一座直径3 m，年生产能力3000 t 的试验用转底炉，于1992 年5 月开始第一次半工业试验，同年12 月至1993 年2 月进行了第二次半工业试验。这是在我国建设的第一座用于铁矿石直接还原的转底炉。由于设备原因和缺乏操作经验，产品的平均金属化率只达到76%~78%。1996 年，北京科技大学和鞍山市科委合作，在鞍山汤岗子铁矿建成了一座转底炉试验装置，转底炉平均直径5.5 m，炉底有效宽度2.0 m，炉底面积30 m2，设计油烧嘴12 个。1997 年6 月8 日，开始热态试验，6 月19 日完成了第一次热试，这次试验是北京科技大学在舞阳钢铁公司的转底炉生产试验的继续。试验初步取得了良好的结果：产品的金属化率稳定，达80%~85%；操作容易，证明转底炉生产直接还原铁是可行的。北京科技大学冶金喷枪研究中心自1998 年以来，一直致力于转底炉生产金属化球团——熔分炉熔分双联工艺的研究开发，并从2000 年着手设计工业规模的转底炉。现在已经在山西和河南的两家钢铁公司建成了中径13.5 m, 炉底面积100 m2 的转底炉2 台，设计年生产能力为金属化球团矿7 万t。2001 年12 月山西翼城的转底炉建成，举行了开炉仪式，并生产出一批合格的金属化球团矿。由于山西翼城明亮钢铁公司的高炉煤气不能持续稳定供应，转底炉炉温难以保持必要的水平，因此被迫停炉，解决煤气供应问题。河南巩义永通钢铁公司的转底炉于2003 年11 月试运转成功，但由于诸多因素的制约，一直处于停炉状态。2005 年9 月山西明亮钢铁公司、北京科技大学与山东瑞拓公司合作，对转底炉进行完善和改造，于2006 年4 月进行试生产，取得成功，生产出金属化球团，金属化率达到80%以上，各项经济指标达到预期的结果 [2]从上面的介绍，我没看到介绍人说的瓦斯灰的东西，所以我干脆摊牌了，不抄了，我自己找别的资料总可以吧。锌为低熔点有色重金属，其熔点420℃ 沸点907℃，液态锌流动性好，易挥发，离子半径较小，能浸入和充满微细空间，有较大的表面张力系数，降温时易凝聚在一起，在局部空间内呈现较高浓度，其硫化物具有热不稳定性。铁矿石中的锌，在烧结过程中约有10%左右被脱除，其余多以ZnO状态存在，少量为亚铁酸盐化合物，随烧结矿进入高炉。因其熔点较高(ZnS熔点为1650℃，ZnO溶点为2000℃，在高炉内很难直接被熔化。高炉冶炼条件下，Zn0在950℃以上的高温区，被C或H2直接还原，直接消耗炭素，也有部分被CO间接还原。而ZnS则在400~500℃时就开始分解并以已还原出来的铁作催化剂被还原，原料中所有Zn的还原过程，直到炉腹的高温区才能完成，锌的反应方式很多教科书中都有，这里不再列出。高炉下部还原出来的锌，呈汽态，具有很强的挥发性。在随煤气上升的过程中，一部分渗入炉衬的气孔中，一部分被后加的炉料吸收，一部分随煤气从炉顶溢出炉外。随着温度的降低、锌又从汽态凝聚为液态或结晶为固态，并重新被氧化成氧化锌(ZnO)。高炉上部含锌炉料在下降过程中吸收汽态锌后，更多的锌在高炉下部重被还原，再次进入煤气中，使其在煤气中的浓度升高。这种循环往复，构成了锌在高炉内的循环富集，它可使锌在高炉内达到很高浓度，甚至处于饱和状态。锌在高炉高度方向上的锓蚀分述如下:在高炉上部，锌的危害主要是炉墙上的炉瘤和炉墙结厚，在随煤气上升的锌中，有一部分会沉积在炉身上部砖衬缝隙中，这部分沉积物还会不断凝聚锌和其它粉尘颗粒并与炉料和炉衬反应，发生膨胀，形成炉瘤和炉墙结厚在高炉中部和中上部，锌的危害主要表现为对料柱空隙的堵塞，锌对料柱空隙的堵塞导致煤气通道变小，影响炉况顺行.在风口处,锌的富集会造成风口上翘和变，严重的甚至造成大套断裂，冷却壁进出水管变形.其机理是在钾钠等锓蚀能力强的碱金属对砖衬的交界处和其它薄弱环节进行侵蚀以后，大量的锌会随之进入并在其中聚积生长，越积越多，对砖衬进行破坏导致风口上翘和变形而且，有实验表明，炉顶压力越高，锌随煤气的外排量越少。而在风口处的聚积就越多.锌还会对炉缸炉底进行侵蚀,武钢高炉研究其锓蚀的路径为:含有碱金属和锌蒸汽的煤气首先由风口附近的缝隙渗入,然后在800-1030度的温度区间侵蚀高铝砖，形成初始环缝,随着锓蚀反应持续进行，环缝向下延伸，一直到炉缸和炉底炉衬，同时武钢研究表明，锌对炉底炉缸的侵蚀作用要比碱金属大.高炉结瘤，一般发生在有熔融物出现的部位，而在高锌矿冶炼中，高炉上部结瘤情况却有所不同。如广钢、三明及柳钢等冶炼含锌矿时，结瘤多出现在炉身上部块状带，炉喉及煤气上升管等不可能出现液相的区域。究其原因，主要在于:锌在炉身循环富集，上升煤气中锌蒸气压在炉内条件下达到饱和:当温度下降时，锌饱和蒸气压下降，锌大量从煤气中析出。析出的锌，一部分沉积在炉料表面形成炉内循环富集，另一部分吸附于温度较低的炉壁、炉喉钢砖及煤气上升(或下降)管内壁上。这种吸附的积累便形成炉瘤。实践表明,在上升管部位的炉瘤，质基较松散，易除去，而在炉喉部位的瘤则质基坚硬，比重为5.4q/cm3，敲击呈金属声响，极难除去。同时在电炉和转炉冶炼的粉尘中也有锌的存在，这玩意遇热化成气，预冷成尘，让人头疼：因此必须把富集的锌从瓦斯灰、转炉灰、电炉灰里面去除，而这就有了转底炉，固废进行利用的项目：转底炉直接还原工艺采用转底炉处理电炉烟尘可以追溯至1965 年，由 Midland Ross公司(Midrex公司的前身)、国民钢铁公司和 Hanna矿联合开发了 Heat-Fast 工艺。20 世纪70年代未期，由于会铁、有色金属复杂废物处理的需要，以煤作还原剂，采用转底炉的直接还原工艺又重新引起了人们的重视。在 Heat-Fast 工艺基础上，人们相继开发了INMETCO、FASTMETDRylron 等直接还原挥发工艺。FASTMET 工艺过程主要包括配料制团、还原、烟气处理及烟尘回收3 个主干单元，即电弧炉烟尘及其他废料与经破碎的还原剂混合(也可不混合)制团、干燥;然后送人转底炉中，在1316 ~1427C高温下快速还原处理，得到直接还原铁DRI);同时，被还原的锌、铅等挥发性有色金属挥发进入烟气，此外烟气中还有部分未然烧完全的CO，对该烟气进行二次燃烧使之燃烧完全并从中回收余热，回收余热后烟气进人布袋收尘器回收烟尘，得到含锌40% ~60%的粗氧化锌烟尘。近年，神户钢铁公司 (Kobe Steel Ltd.)与Midrex公司合作，相继建设了两家采用 FASTMET工艺处理电炉烟尘的工厂。采用 FASTMET工艺的新日铁Hirohata工厂年处理电弧炉烟尘等二次物料19万1，直接还原铁(DRI)产品含铁 82%-~ 84%，金属化率大于90%，锌含量小于0.1%，脱锌率达94.0%。氧化锌烟尘锌含量高达63.4%，可以直接送冶炼厂处理回收锌。采用转底炉的直接还原挥发工艺的开发应用对于钢铁厂电弧炉烟尘处理具有重要意义:(1) 同时回收利用了其中的铁与锌、铅等有价金属，实现了废物全资源化。(2) 以直接还原铁这一优质炼钢原料形式回收电弧炉烟尘中的铁，实现了铁资源的厂内循环，为电弧炉烟尘厂内就地处理提供了物质基础和技术支撑。转底炉的断面简图和平面图如图5-8 所示。转底炉床与固定的炉壁内侧有水封以保持气密性。炉壁两侧设若干烧嘴喷人燃气燃烧加热炉料。固体炉料与烟气逆流运动一周，完成还原和挥发反应。图5-9 为电炉尘和铁鳞各占50% 的球团在转底炉中金属化率以及氧化锌残量随时间变化的曲线图。从图5-9 可知球团金属化和锌的脱除仅需10min。表5-9 所列为分别以电炉和转炉尘处理后所得粗氧化锌的化学成分。而相关数据为：商业化的 DRyIron 工艺流程如图5-10所示。截至2002年，该工艺已在美国的Amerisedl,Rouge Steel和日本新日铁的 Hikari 钢厂共设置了3台。工艺如下：各位看下上图的转底炉和下面的网上截图是否接近？各位记住下采用转底炉处理电炉烟尘的时间可以追溯为1965年，发明时间为上世纪50年代！！！