【重工機(jī)械網(wǎng) 推廣技巧】焙熔還原是一種全新機(jī)理的熔融還原煉鐵技術(shù)。該技術(shù)將煤的還原劑作用和熱能作用分開，按照各自的需要量從不同的部位將煤輸入煉鐵系統(tǒng)，能量在系統(tǒng)各環(huán)節(jié)內(nèi)部循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)煤化學(xué)能的完全釋放和全部吸收消化、轉(zhuǎn)換。其爐頂煤氣的一氧化碳利用率CO2/(CO+CO2)接近100%，溫度在150℃以下，煤耗為10.32GJ/t鐵～10.48GJ/t鐵，二氧化碳排放量為1145kg/t鐵。
 

　　1、焙熔還原冶金原理
 

　　1.1 焙熔還原工藝流程
 

　　焙熔還原屬于熔融還原的范疇，前面去掉了高爐流程的焦化和燒結(jié)兩道熱態(tài)工序；同時后面取消了一般煉鐵方法設(shè)置的能量回收裝置如發(fā)電裝置，煤氣脫除CO2后循環(huán)利用等后續(xù)措施。整個流程簡單到只有磨煤和成球兩道冷態(tài)原、燃材料準(zhǔn)備工序和煉鐵工序。冶煉的低碳鐵水供給煉鋼工序。轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的余熱回收用于球團(tuán)烘干，已由鐵水中碳列入能耗。
 

　　1.2 焙熔還原技術(shù)
 

　　焙熔還原技術(shù)是包括原料、裝置、操作和自動控制等在內(nèi)的一套完整工程系統(tǒng)。這項技術(shù)不是一個單元技術(shù)，而是一個工廠系統(tǒng)。
 

　　(1) 原料制備
 

　　采用一種*的復(fù)合含碳球團(tuán)作為爐料是該技術(shù)的重要特征之一。復(fù)合含碳球團(tuán)的結(jié)構(gòu)由鐵氧化物外層和含碳鐵氧化物內(nèi)核組成，球團(tuán)內(nèi)核的配碳量低于球核中鐵氧化物由四氧化三鐵直接還原到鐵的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量。形象地說是一個普通含碳球團(tuán)包裹在一個氧化球團(tuán)生料之中的“包心湯圓”。含鐵原料采用的是鐵礦粉，無論是從外國進(jìn)口鐵礦粉，還是將來由我國低品位礦石供給，這種含鐵原料只能是經(jīng)過富集選礦產(chǎn)出的鐵精礦，因而具有廣泛的適應(yīng)性和可持續(xù)性，非常值得像鞍鋼一樣缺少塊礦的鋼鐵企業(yè)采用。
 

　　復(fù)合含碳球團(tuán)的制備技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，在氧化球團(tuán)廠工藝內(nèi)部加一道二次成球工藝即可，這對將來替代高爐煉鐵保留氧化球團(tuán)廠，減少投資又是一個*優(yōu)勢。
 

　　(2) *設(shè)備裝置
 

　　焙熔還原技術(shù)*設(shè)備裝置由焙熔還原爐、中間熔體存儲爐、終還原爐、燃燒爐(煤粉旋風(fēng)燃燒爐)及各爐之間的密封管道連結(jié)件構(gòu)成的煉鐵內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)組成。
 

　　(3) 焙熔還原的具體步驟
 

　　復(fù)合含碳球團(tuán)制備后提升到焙熔還原爐頂平臺，從上部加料口進(jìn)入爐內(nèi)空間形成填充床。類似于氧化球團(tuán)豎爐的焙燒過程，不同之處物料在爐底以熔化的熔體排出。復(fù)合含碳球團(tuán)在逆流加熱中完成干燥、預(yù)熱、還原反應(yīng)和隨即熔化。以液相排入中間熔體存儲爐。焙熔還原由此得名。熔體在重力作用下在中間存儲爐中次分離出已經(jīng)還原金屬化60%~65%的鐵水。分離鐵水后的熔渣排入終還原爐。含鐵35%~40%熔渣中液態(tài)FeO繼續(xù)在終還原爐進(jìn)行終還原。終還原的渣鐵水由爐子下部排出、二次燃燒氣體產(chǎn)物由爐子上部爐頂排入煤粉旋風(fēng)爐的燃燒室。在煤粉旋風(fēng)燃燒爐燃燒室中，同時進(jìn)入的空氣、煤粉和終還原的二次燃燒產(chǎn)物氣體等三股流體混合后高速旋轉(zhuǎn)燃燒，再由旋風(fēng)爐噴管進(jìn)入燃燼室進(jìn)行100%的完全燃燒，形成的1550℃~1680℃高溫氣體進(jìn)入焙熔還原爐的底部，逆流上升向物料提供焙熔還原所需的全部熱量。
 

　　1.3 焙熔還原的冶金原理
 

　　1) 焙熔還原的冶金原理是基于研發(fā)者提出的無過剩能量產(chǎn)出冶金法。鋼鐵冶金是一種高溫狀態(tài)下的可逆化學(xué)反應(yīng)，目的是從鐵礦石中提取鐵元素。
 

　　碳與空氣中氧燃燒產(chǎn)生熱能，維持反應(yīng)容器內(nèi)部的高溫環(huán)境和加熱反應(yīng)物到反應(yīng)溫度，燃燒生成氣體可作反應(yīng)氣體參加冶金反應(yīng)。碳在傳統(tǒng)高爐流程中還充當(dāng)爐內(nèi)高溫骨架作用和鐵水滲碳。鋼鐵冶金的實(shí)質(zhì)是碳冶金。碳是一種能量載體，與氧燃燒釋放化學(xué)能，轉(zhuǎn)換為熱能。碳不完全燃燒時產(chǎn)生氣體CO，釋放能量為9800kJ/kg碳，完全燃燒時產(chǎn)生氣體CO2，釋放能量為33410kJ/kg碳，所以CO也是能量載體。
 

　　現(xiàn)有技術(shù)中任何一種煉鐵方法排出反應(yīng)容器的氣體產(chǎn)物中都含有大量過剩CO或者高溫氣體，也就是產(chǎn)出過剩能量。為了降低能耗，被動式的采用循環(huán)方式利用過剩能量，實(shí)屬無奈之舉。普遍采用的方式是建設(shè)發(fā)電廠，以利用焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣。脫除煤氣中的CO2后循環(huán)返回豎爐也是一種方法，甚至拓展鋼鐵廠功能建化工廠和化肥廠來利用這些過剩能量。值得注意的是循環(huán)經(jīng)濟(jì)不是為了循環(huán)而循環(huán)，基建投資、設(shè)備投資、運(yùn)行和維護(hù)等新投入的經(jīng)濟(jì)成本增加，工藝設(shè)備鏈條的增長造成可靠性與安全性的降低?；厥招实偷膯栴}也不能回避，小型發(fā)電廠的效率不會高于35%，那65%的不可回收部分到哪里去了？一個嚴(yán)重問題是這些大量的過剩能量載體CO不管怎么回收，后還要變?yōu)闇厥覛怏w排入環(huán)境大氣中加劇危害程度。再一個問題是煉鐵用的洗精煉焦煤和塊煤是煤炭資源精品中的精品，用這種煤產(chǎn)生的煤氣來發(fā)電，比較浪費(fèi)。國家*把循環(huán)經(jīng)濟(jì)的三個原則中減量化原則排在位，無不具有哲理性。
 

　　2) 傳統(tǒng)鋼鐵冶金對過剩能量的依賴性是不可克服的，冶金反應(yīng)的各個環(huán)節(jié)靠能量推動，為了獲得高生產(chǎn)效率更離不開過剩能量。各個環(huán)節(jié)對能量的需求量往往是不相等的，相關(guān)聯(lián)兩個環(huán)節(jié)需求量大者對需求量小者形成過剩。如果能量需求量小的環(huán)節(jié)位于反應(yīng)容器能量流的出口處，這種過剩就是產(chǎn)出的過剩能量。碳燃燒生成CO關(guān)聯(lián)著提供的熱量和還原劑兩個環(huán)節(jié)。間接還原時還原氣體關(guān)聯(lián)著熱力學(xué)平衡氣相成分和氣體產(chǎn)物兩個環(huán)節(jié)：
 

　　Fe3O4+mCO=3FeO+(m-1)CO+CO2；
 

　　FeO+nCO=Fe+(n-1)CO+ CO2；
 

　　其中m和n為過剩系數(shù)。熔融還原分階段進(jìn)行，在預(yù)還原與終還原過程中m和n兩個過剩系數(shù)相關(guān)聯(lián)。
 

　　3) 焙熔還原的冶金原理是把兩個能量相關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)分開并建立中間環(huán)節(jié)，利用阻隔、接受、吸收、補(bǔ)充、調(diào)節(jié)和供應(yīng)等功能，突破和降低冶金反應(yīng)熱力學(xué)上的限制。達(dá)到反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)輸入的能量充分利用、直接利用和完全利用，從源頭上、根本上和基礎(chǔ)上把鋼鐵冶金能耗逼近極限耗能。
 

　　4) 焙熔還原技術(shù)的個措施是把煤的還原劑作用和熱能作用分開，在預(yù)還原爐和終還原爐中間設(shè)置燃燒系統(tǒng)。這個燃燒系統(tǒng)包括終還原爐的上部二次燃燒空間、旋風(fēng)燃燒爐的燃燒室和燃燼室。燃燒用煤按照全部工藝熱耗和直接還原吸熱的需求量輸入，分別向終還原和預(yù)還原兩頭提供熱量，終還原二次燃燒的剩余化學(xué)能和熱量進(jìn)入旋風(fēng)燃燒爐的燃燒室迭加于同時輸入的煤混合旋風(fēng)燃燒再進(jìn)入燃燼室完全燃燒，100%釋放化學(xué)能后再提供給焙熔還原爐。按照各自的需求量將作為還原劑的煤分別輸入預(yù)還原的復(fù)合含碳球團(tuán)的球核中與終還原爐的鐵水中和熔渣上層。輸入終還原環(huán)節(jié)的煤位于能量流的起點(diǎn)，該環(huán)節(jié)消耗后的剩余能量全部無損失地交給燃燒環(huán)節(jié)接收，間接實(shí)現(xiàn)能源的100%利用。
 

　　5) 焙熔還原技術(shù)的第二個措施是設(shè)置復(fù)合含碳球團(tuán)的鐵氧化物外層這個多功能中間環(huán)節(jié)。作為阻隔功能，把焙熔還原爐中的主氣流氧化氣氛環(huán)境和球團(tuán)內(nèi)部的還原氣氛環(huán)境分開。突破熱力學(xué)上在一個反應(yīng)容器或一個區(qū)域的氧化氣氛中不可能進(jìn)行還原反應(yīng)的限制。為燃燒系統(tǒng)的完全燃燒提供了前提條件。作為吸收功能：球團(tuán)的外層本來也是需要還原的鐵礦粉，在保護(hù)球核不受外界干擾得到充分還原的前提下，球核的直接還原氣體產(chǎn)物CO在內(nèi)部壓力梯度和指向作用的驅(qū)動下向球體表面強(qiáng)制擴(kuò)散和流動。球團(tuán)外層被流過的CO間接還原，對球核產(chǎn)生的剩余能量進(jìn)行吸收。作為供應(yīng)功能：球團(tuán)外層通過傳導(dǎo)方式向球核提供升溫和還原吸熱的熱量。作為單向開關(guān)功能：由于球核的直接還原氣體產(chǎn)物CO的單向流動，球團(tuán)外層的間接還原不遵循化學(xué)反應(yīng)平衡，反應(yīng)氣體產(chǎn)物CO2隨即被帶出反應(yīng)區(qū)域。反應(yīng)點(diǎn)或區(qū)域補(bǔ)充上來的是新還原氣體CO，F(xiàn)eO+nCO=Fe+(n-1)CO+CO2的正反應(yīng)和逆反應(yīng)被分開，過剩系數(shù)n遠(yuǎn)小于相應(yīng)溫度下熱力學(xué)上的取值，這又是一個熱力學(xué)上的突破。
 

　　6) 焙熔還原爐中的熱量供應(yīng)方式是對流傳遞方式，具有很高的熱效率。配入復(fù)合含碳球團(tuán)內(nèi)核的還原劑含碳量小于球核中四氧化三鐵直接還原到鐵的反應(yīng)當(dāng)量。整個球團(tuán)Fe2O3→Fe3O4所需的CO還原劑量由球核還原劑經(jīng)自身直接還原消耗和球團(tuán)外層間接還原消耗后的剩余量來填補(bǔ)。到此時，整個煉鐵工序碳冶金過程完成。能量流的出口處，爐頂氣流中無CO或極少CO。CO的利用率(CO2/CO+CO2)接近100%。爐頂氣流中只剩150℃以下的物理熱，其值為0.209GJ/t鐵。
 

　　7) 焙熔還原技術(shù)的另一個中間環(huán)節(jié)是預(yù)還原爐與終還原爐之間的中間熔體存儲爐，把金屬化65%的含碳量在1%以下的鐵水分離出去，不接受終還原的滲碳。減少熔碳損失23kg/t鐵，也減少了下一步煉鋼工序的脫碳負(fù)荷。節(jié)約煉鋼吹氧40Nm3/t鐵。
 

　　2、溫室氣體直接排放量
 

　　煉鐵工序和煉鋼工序產(chǎn)生的爐渣完全可以作為制造水泥的原料。同其他煉鐵計算方法一樣，加入煉鐵原料中的碳酸鹽所分解的二氧化碳，從再利用資源化的循環(huán)過程中扣除。焙熔還原技術(shù)由煤直接產(chǎn)生的噸鋼溫室氣體排放量為：312.2×44/12=1144.73kg/t鋼。
 

　　3、結(jié)語
 

　　焙熔還原的噸鐵煤耗指標(biāo)為10.32 GJ/t鐵~10.48GJ/t鐵，折合標(biāo)準(zhǔn)煤352.58 kg ~358.05 kg。目前運(yùn)行的COREX技術(shù)的煤耗大約23GJ/t鐵；HISMELT工廠生產(chǎn)作業(yè)記錄其低煤比為810kg/t鐵，平均用煤發(fā)熱值為30.475GJ/t鐵，煤耗為24.685GJ/t鐵；焙熔還原技術(shù)的煤耗不到這兩種還原技術(shù)的一半。可以將這種新興的熔融還原流程與傳統(tǒng)的高爐流程進(jìn)行比較。上海寶鋼高爐指標(biāo)：焦比286kg/t鐵，煤比193kg/t鐵，煉焦用洗精煉焦煤286.4×1.4=400.4kg，共用精煤593kg/t鐵。焙熔還原技術(shù)與之相比少用煤233kg/t鐵，約為39.2917%。武鋼高爐指標(biāo)：焦比363kg/t鐵，煤比133kg/t鐵，共用精煤363×1.4+133=641.2kg/t鐵，焙熔還原技術(shù)與之相比，少用281.2 kg/t鐵。與以上兩家鋼鐵集團(tuán)的高爐指標(biāo)相比，平均少用煤為257.1 kg/t鐵。中國每年生產(chǎn)4.047億t鐵水，倘若焙熔還原技術(shù)替代全國的高爐煉鐵技術(shù)，可節(jié)約洗精煉焦煤1.04億t?，F(xiàn)在每噸洗精煉焦煤約為1350元，由此可知每年可節(jié)省1404.6億元。按每噸1000元的改造成本計，用3年節(jié)約的煤價值足以改造全國傳統(tǒng)高爐設(shè)備系統(tǒng)。
 

　　焙熔還原技術(shù)爐頂煤氣的CO利用率接近100%，過去的能量回收方式將失去意義，且能夠把鋼鐵行業(yè)從煤氣易爆炸和煤氣易泄漏的危險環(huán)境中解放出來。
 

　　焙熔還原技術(shù)對中國和世界的大貢獻(xiàn)是其超低的溫室氣體排放。在不使用任何煉鐵工序后續(xù)處理措施和設(shè)備的情況下，噸鋼排放1145kgCO2。焙熔還原技術(shù)可為中國鋼鐵行業(yè)減排溫室氣體做出突出貢獻(xiàn)。同時提高能源利用率和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的低碳時代的到來，也為焙熔還原技術(shù)提供了廣闊的生存發(fā)展空間。
 

　　(原標(biāo)題：焙熔還原煉鐵技術(shù)及能耗分析)