经验证的钢厂废料回收利用工艺

FASTMET经验证的钢厂废料回收利用工艺JamesM.Mcclelland,Jr.P.EManager-TechincalSalesMidrexTechnologes,Incorproated2725WaterRidgeParkwayCharlotte,NorthCarolina,28217USATel:704-378-3359Fax:[phone]E-mail:[e-mail]关键词：FASTMET；FASTMELT®；转底炉；直接还原；铁氧化物；电炉粉尘；钢厂废料；锌的回收利用。摘要：两个用于回收利用钢铁厂废料的FASTMET流程工厂现在已处于商业运作。这些FASTMET流程设备正在将钢铁厂废料转变为有用的铁产品和有价值的副产品。本文将通过这两个工厂来讨论包括废弃燃料油操作，产品质量，锌的回收利用和排放物的测试等操作经验。绪论Midrex技术公司和它的母公司神户钢铁公司合作，已经开发出了一种以固体炭为基础的还原技术FASTMET流程:这种流程可应用于加工铁矿石，也可应用于加工含有铁氧化物的材料，比如钢厂的废料。将一台电化铁炉添加到FASTMET流程就得到了FASTMELT®----------一种生产高质量铁水的经济的方法。大多数钢铁厂都正在寻求一种合适的方式来回收利用包括高炉和碱性氧化顶吹转炉粉尘、淤泥、轧钢皮、电弧炉粉尘在内的各种钢铁生产废弃物。电弧炉炼钢粉尘的积聚以及对它们的处理已成为了一个世界性课题。电弧炉粉尘的回收利用包含两个方面：一方面是回收利用有价值的资源，回收含铁料来炼钢，粗氧化锌用于回收有色金属；另一方面是降低对环境的污染。从经济与环保两方面来考虑，FASTMET流程都是一种十分吸引人的电弧炉粉尘回收利用技术。在将粉尘回收起来做电弧炉和碱性氧气顶吹转炉的原料方面，这个流程有两个主要目标。一个是为了提高铁氧化物的金属化率，这样可以减轻熔化过程的负担。另一方面是为了提高锌的脱除率，这样可以降低回收回路中锌的浓度。作为高炉原料，高的抗压强度是必要的，这一点在FASTMET工艺也可以通过调整粘结剂与原料的配比来实现。经过实验室试验和Kakogawa示范性工厂的试验，FASTMET流程被证实在粉尘回收方面可成功地提高金属化率和锌的回收率。通过这些测试，得出了建设一座商业化FASTMET厂的设计理念。在新日铁公司的Hirobata工厂，第一座FASTMET厂已建成、开工并交付给新日铁公司Hirobata工厂的客户投入商业化生产。第二座商业化的FASTMET工厂正在神户公司加古川工厂生产中。本文所示的信息和数据均收集于这些最早的商业化FASTMET厂的开工与最初的生产运营期间。炼钢废料及相关问题今天，许多钢铁厂都在考虑如何处理生产中的废料。所考虑的问题年复一年地积累起来，因此钢铁厂应采用更积极的行动来寻求解决方案。这些问题包括：1、对含铁废弃物的处理——从联合企业得到的无毒废料含有大量有价值的铁、碳元素。掩埋或倾倒些废料会增加支出。电炉布袋收尘室粉尘，被美国EPA列为一种有毒物质（K061），若简单将其倾倒，会对环境造成一系列的危害，在掩埋这些废弃物之前对其进行适当的热处理或稳定化是很昂贵而且是对有价值资源的浪费。2、封闭式定点掩埋——钢铁厂现在大多都将废弃物定点存放几年，甚至是几十年。理论上讲，由于占的土地是免费的，可以降低开支。然而，绝大数地点会被填满，并会使得环保机构的审查更加频繁。Onsite是否可以翻译为“厂内”？3、回收利用有价值的铁元素——联合企业每吨球团矿要付$40～50。对于典型的65％的含铁品位，可折算为每吨铁元素$60～70。如果这些球团矿粉不能再利用，则厂家会损失一笔钱，对于使用直接还原铁为原料的紧凑型钢厂和联合钢厂，则不回收利用直接还原铁粉的经济代价是用氧化球团矿的三倍。4、控制钢铁厂原料成本——成功的钢铁厂必须持续地降低成本。一种有效的降成本的方式就是处理和回收利用废弃的材料，这样做还可以取消相关的掩埋费用。5、节约投资——大多数钢厂都限制在生产操作的冶炼工序投资，相反倾向于在下游工序集中投资。一个可能由第三方建设、拥有和运作的现场废料加工厂，使得钢铁厂能够节省投资和避免另外一个冶炼工序操作的责任。6、炼焦厂与烧结厂的环保问题——对联合企业的排放物实施更严格的EPA规则，特别是炼焦厂排放问题是一个主要问题。如果有可行的替代方式，许多厂家都将关闭炼焦厂和烧结厂。对废弃物处理问题的答案在过去10年，Midrex和Kobe已经开发出了FASTMET流程，它将帮助钢铁厂解决废弃物的处理问题，FASTMET通过添加或不添加铁矿粉来处理钢铁厂废弃物，将其放入以碳作还原剂的转底炉（RHF）炉中，冶炼为金属化的铁。这个流程的产物可以是冷DRI、热DRI和HBI，或者是铁水，具体是哪种形式取决于最终使用需要。FASTMET流程的背景20世纪60年代，RHF炉最先被Midrex的前身MidlandRossCorporation用于生产直接还原铁，其名称为“热的快”。这种快速加热流程包括将铁精矿和煤粉造球，，将球团矿在炉篦子进行干燥，在转底炉中预还原，然后在竖炉冷却器中冷却。从1965年到1966年，这种快速加热流程在明尼苏达州的Cooley的一个2吨/小时的实验性厂中试验取得成功。与HeatFast开发的同时，一种以天然气作还原剂的直接还原流程Midrex也得到发展，这种流程可以提供比快速加热更高质量的产品并能降低经营成本（因为当时的天然气价格只有今天的十分之一）。由于当时天然气流程的经营成本更低，使得快速加热流程的工作被中止并没有被用于商业开发。20世纪80年代初，Midrex对运用RHF生产直接还原铁重新产生兴趣。多项研究表明，基于美国当时的条件，可以开发出RHF流程以较低的价格生产直接还原铁。然而，气基流程的经济效益更加诱人，并且气基流程得到了很好的验证。还有就是，煤基还原流程已落后于传统的气基流程。在20世纪90年代，问题又被再次提出，进一步的研究证明，RHF煤基流程的经济价值是诱人的。基于这种观点，决定继续研发这种流程的商业化技术。以可追溯到20世纪60年代的快速加热实验性工厂为基础进行建设，对技术进行了改进，使得可以提高生产能力，提高产品质量，提高流程适应性和提高流程效率。最后就发展成FASTMET流程。Midrex和KSL已经开发出了比FASTMET流程更优越的FASTMELT流程。它取消了从RHF中热排放直接还原铁，而是通过重力将直接还原铁装入电化铁炉内，这是一个为将热的直接还原铁熔化生产成铁水而特别设计的熔化炉，这种铁水就称之为FASTIRON。FASTMET流程的发展史20世纪60年代MidlandRoss(Midrex=MIDlandRossExpreimental)开发了HEATFAST流程；从1965年到1966年，2t/h的实验厂在明尼苏达州的Cooley建成并投入运营1990年Midrex开始研发FASTMET流程1992年FASTMET实验性厂在Midrex技术中心建成，2.75mRHF,160kg/h;1992年至1994年共做了100多次试验。1995年8.5mRHF，2.5t/h的Kakogawa示范性工厂在KSL’sKakogawa钢铁厂建成，并在1995年到1998进行了持续的开发型运营。1998年Midrex技术中心安装电炼铁炉；直接与FASTMET实验性车间的RHF相配套，每小时生产150kg铁水；这个示范性的FASTMELT流程成为成功地通过纯氧化铁和钢铁厂废弃物生产出了高炉级质量的铁水2000年第一座商业性FASTMET工厂（PDPR）在新日铁公司的Hirobata厂建成；21.5m的RHF；19.2万吨转炉污泥和粉尘/年的处理能力；14万吨热DRI和2250吨/年粗氧化锌的生产能力。2000年3月21日：第一批产品2000年4月：连续操作2000年7月：达产试验结束，操作移交给新日铁2000年7月：连续操作达一年，典型的金属化率91.9％，锌回收率94％，热DRI的送料温度大于1000℃，全年的作用率大于90％。2001年在KSL加古川钢厂的第二个商业化FASTMET工厂，8.5m的RHF；1.4万吨转炉污尘、电炉尘和轧钢废料/年的处理能力；废燃料油；产品是1.4万吨DRI和1400吨/年粗氧化锌的生产能力。2001年5月：工厂开工FASTMET流程概况FASTMET流程将氧化铁球团矿炉料、粉矿和钢铁厂废料转变为有用的金属铁，如果需要，使用煤粉或其它的含碳材料作为还原剂。最终产物直接还原铁可以被热压成块，作为热态DRI被送入中转换容器；如果需要冷DRI，也可将它进行冷却，或者直接送入电化铁炉（EIF）以炼出FASTIRON。图2是FASTMET/FASTMELT流程的流程图：图2FASTMET/FASTMELT的流程图在操作过程中，如果原料是矿石，精矿粉和煤粉在装入RHF炉之前要制成球团并经过干燥，在RHF炉中炉料被铺成一层。当这些原料是钢铁厂废料，则它们首先应被压块。压块可以提供更多的灵活性，并减少对这些原料的碾磨需求，而且不必要对生压块进行干燥。这些压块在RHF中也是铺成一层（见图3）。图3转底炉的简化纵剖面图和俯视图随着炉膛的旋转，这些压块被RHF炉中1300摄氏度以上的温度通过辐射加热，铁氧化物被还原成金属铁。铁氧化物的还原过程基本上是在固体状态下由固定C与Fe3O4或Fe2O3反应生成金属铁（Fe0）和固态维氏体（Fe0..95O），同时释放CO和CO2气体。部分碳则会固溶到金属铁中形成碳化铁（Fe3C）。钢铁厂废料中的锌氧化物、铅氧化物和其它具有挥发性的金属氧化物也将在此过程中被还原成金属单质或被蒸发。这些金属蒸汽在从烟道出炉之前又将被烟气氧化。炉料在炉内的停留时间在6到10分钟。停留时间的不同取决于物料的种类、压块的尺寸大小，以及其它因素。在这段停留时间里，85%到95%的铁氧化物会被还原成金属铁。FASTMET流程中的快速还原速度归功于高的还原温度，高的热交换速度，以及矿块中的碳与铁氧化物之间的紧密接触。其烟气在出炉前已经完全燃烧，含氧量大约为2%。而热交换器可将烟气的热量用于预热RHF的燃烧器的助燃空气和干燥原材料。烟气从炉顶排出，经过有耐火材料内衬的上升管进入烟道。烟气上升管的与RHF炉的燃烧区之间的合适的相对位置，由对原材料和还原动力学的分析所决定，并用CFD计算进行检验。注入烟气管道的空气起冷却作用，并将烟气中的H2和CO等可燃气体燃烧掉。通过喷雾化水到初冷区，可以将烟气从高于1400摄氏度冷却到1000摄氏度以减小NOX的生成，并提供换热器可接受的合适的入口气体温度。从初冷区出来的烟气流经助燃空气和干燥空气预热器，在这里烟气中的热量被用于预热转底烧嘴和转动干燥器的助燃空气。烟气对助燃空气预热后进入二次冷却区。通过喷雾化水，在二次冷却区将烟气温度从800摄氏度降到120摄氏度，以保证得到布袋过滤除尘器可接受的入口气体温度。摄氏度应该直接写成℃，不需要翻译！然后烟气流入脉冲喷射式布袋过滤除尘器，在这里，粗氧化锌被收集起来，然而烟气通过引风机经烟囱被排入大气中。FASTMET车间在处理钢铁厂废料时，一般不需要控制SO2，因为绝大部分SO2将会与烟气中的金属氧化物反应或被其吸收掉。喷石灰可以被用于进一步控制SO2。对NOX的控制则是通过使用低NOX燃烧器和严格控制燃料与气体的比值与燃烧温度来实现的。RHF炉内的高温和长停留时间可以破坏二恶英与呋喃的生成。对烟气冷却速度的控制可以减少二恶英与呋喃的再生成。粉尘通过布袋过滤除尘器从烟气中被分离出来。而粗氧化锌通过布袋过滤除尘器回收并储存到仓筒中。这些粗氧化锌然后被用卡车或火车从仓筒运到买主那里。直接还原铁的金属化率（金属形式的铁占全铁的百分比）是可以调整的。通过调整矿块的含碳炭量就可以得到目标DRI的含碳量。其产品化学成分的不同取决于使用的矿料、还原剂和粘结剂的化学成分。电炉废料处理方式的选择FASTMET流程使得紧凑型钢厂除了运用当前的高