富氧热风竖炉处理钢铁厂含铁尘泥工艺探讨

　　导读：富氧热风竖炉工艺(Oxycup工艺)是目前熔融还原法循环利用含铁尘泥物料并实现工业化的代表之一。
　　
　　钢铁企业含铁尘泥主要来自于烧结、球团、高炉、转炉和轧制等各工序的除尘和废水治理工艺，一般TFe含量为30%～70%，同时含有一定量的碳和有害元素。在传统的高炉—转炉钢铁生产流程中，含铁尘泥的产生量为钢产量的10%左右，对我国含铁尘泥进行资源化回收利用意义重大。
　　
　　含铁尘泥处理的主要工艺
　　
　　含铁尘泥处理工艺主要分为物理法处理工艺、湿法处理工艺、火法处理工艺及含铁尘泥高附加值利用。目前钢铁工业主要采用火法工艺对含铁尘泥予以处理和回收利用，主要方法有烧结法、球团法、粉尘喷吹法、直接还原法、熔融还原法和造块返回炼钢法。
　　
　　作为原料直接配入烧结、球团料的方法zui为简单，能一定程度上实现铁资源的回收利用，具有投入少、见效快、无须改变原有工艺等优点，但存在配料、混合困难等问题，且会造成有害元素的循环和富集，给高炉带来危害。
　　
　　粉尘喷吹法主要是将含铁、含碳粉尘以一定比例混合喷吹到高炉或其他熔融炉中代替部分原料进行循环回收利用，从而达到降低炼铁生产成本的目的。该方法对喷吹物料有相当高的技术要求，而且其处理量不大，应用受到了一定的限制。
　　
　　将含铁尘泥造块返回炼钢工艺，用作炼钢冷却剂是含铁尘泥资源化利用的又一途径，目前国内外许多企业已使用这种方法。该方法可充分利用粉尘中的FeO和CaO，代替部分造渣剂和冷却剂，而且对粉尘强度要求不高，可降低炼钢石灰和钢铁材料消耗，从而降低炼钢成本，但该方法不适合处理低品位、高碳、高碱粉尘。
　　
　　直接还原法和熔融还原法能处理钢铁企业大部分含铁尘泥，不仅能有效利用尘泥中的铁、碳和CaO等物质，同时还可脱除尘泥中Pb、Zn、S等有害杂质，生产金属化球团和铁水，具有较好的处理效果。
　　
　　转底炉是目前比较受关注的用于处理各钢厂含锌、铅粉尘的快速直接还原装置。该工艺将含铁尘泥通过混合—配料—成型—转底炉直接还原等工序脱除铅、锌等有害元素，得到直接还原铁，可返回钢铁生产流程使用。其优势在于处理效率高，处理能力适中，对能源要求不是很高，可以直接用钢铁厂的副产煤气作为热源，能够很好地回收含铁尘泥中的铁、锌、铅等金属。其缺点包括炉膛高、料层薄、能源利用效率不高等，还有待进一步研究和完善。
　　
　　富氧热风竖炉工艺(Oxycup工艺)是目前熔融还原法循环利用含铁尘泥物料并实现工业化的代表之一。该工艺的金属收得率高，处理含铁物料的范围广，生产铁水可直接用于炼钢，不需要烧结机，环保效果相对较好。但该工艺冶炼过程须使用大块的铸造焦，影响到其运行成本，同时也存在设备运行周期短等缺点。
　　
　　钢铁企业含铁尘泥资源化利用的发展方向是含铁尘泥的集中化处理，应按含铁尘泥的基础特性对其进行综合分类和管理。同时资源化利用方式应能够达到一定的规模和效率，才能实现钢铁生产各工序产生的全部含铁尘泥的回收利用。因此，富氧热风竖炉工艺是未来我国含铁尘泥资源化利用较为理想的工艺之一。
　　
　　富氧热风竖炉处理含铁尘泥的特点
　　
　　工艺概况及流程。富氧热风竖炉工艺即Oxycup工艺，源自于冲天炉冶炼铸铁工艺，其工艺流程主要包括原料收集、配料混料、压块、硬化干燥和竖炉熔炼等过程。
　　
　　含铁尘泥和固废须要造块，以满足竖炉冶炼过程对透气性的要求。Oxycup工艺采用冷固结球团法进行造块，用于压块的含铁物料为钢铁生产过程中产生的各种含铁尘泥，还原剂主要有焦粉、无烟煤等，黏结剂主要使用水泥。将含铁物料、还原剂、黏结剂和水充分混合，经过压球机压制成大小为100mm～150mm的六棱柱碳砖，养护一段时间后，碳砖具有一定的强度，便可送往Oxycup竖炉冶炼。
　　
　　Oxycup工艺的主体装置是一个富氧热风化铁竖炉。Oxycup工艺的热量来源为竖炉底部焦炭的燃烧，可为竖炉提供熔炼的热量，完成含铁物料的预热、还原、熔化、渣铁分离和过热。
　　
　　含铁尘泥球团、废钢、渣钢、焦炭、熔剂等冶炼原料由炉顶料仓加入竖炉，进行高温冶炼。富氧热风由竖炉下部的风口吹入炉内，使竖炉下部的焦炭燃烧，放出热量，产生高温烟气，炉料与炽热的焦炭和高温炉气接触，进行激烈的热交换，完成含铁物料的预热、还原、熔化、渣铁分离等冶金过程，zui终生成铁水、炉渣和煤气。铁水采用虹吸的方式排出炉外，经预处理后由铁水罐送往炼钢车间或铸造成块;采用粒化装置处理炉渣，将出渣口流出的炉渣用水急冷，炉渣被破碎，随水流流至沉降池，可作为建筑材料或进行其他综合利用;煤气经湿式净化后可作为竖炉空气预热燃料或并入煤气管网，煤气净化产生的粉尘或污泥含锌量较高，可外售给制锌厂或进一步进行高附加值利用。
　　
　　目前，Oxycup工艺在德国、墨西哥、日本和我国都得到了应用。我国太钢建有3个Oxycup竖炉，两个竖炉同时工作，第三个竖炉备用，每个炉子设计碳砖及其他含铁物料处理量为45t/h。
　　
　　工艺基本原理。Oxycup竖炉冶炼过程主要由3个基本过程组成，即竖炉底部焦炭的燃烧、热量交换和冶金反应，其中底部焦炭的燃烧是Oxycup竖炉冶炼的基础。竖炉炉料分为两个部分，下部为底焦，上部为批料。底焦是指炉身下部装有的一定高度的焦炭，批料是指底焦上部由含铁物料、熔剂、层焦组成的物料。在冶炼过程中所消耗的底焦由料批中的焦炭来补充，使冶炼过程持续进行。
　　
　　富氧热风经风口吹入底焦，使其燃烧，在风口以上形成由焦炭层氧化带和焦炭层还原带组成的燃烧带，产生高温的炉气，炉气往上与炉料接触，进行激烈的热交换，形成熔化带、直接还原带和预热带。
　　
　　预热带：Oxycup竖炉加料口温度为200℃～400℃，从加料口到炉身1000℃以上的区域为Oxycup竖炉的预热带。炉料自加入竖炉后，通过与上升炉气的对流传热，逐渐升温，同时发生炉料中水分的蒸发、挥发分的逸出和碳酸盐的分解等反应，炉气的成分基本上不发生变化。同时，预热带内部分金属氧化物会被还原，主要以间接还原为主，但由于反应温度低和反应时间短，还原程度较弱。
　　
　　直接还原带：Oxycup竖炉直接还原带为竖炉1000℃～1400℃温度区域。该区域可实现含铁炉料中铁等氧化物的快速还原，同时炉料开始熔化。在直接还原带的温度条件下，含铁尘泥中所含的铁、钾、钠、锌和铅等氧化物都能被还原，且反应温度较高，因此在短时间内可实现含铁尘泥中大部分金属氧化物的直接还原。
　　
　　焦炭层还原带：该区域的特点为高温和缺氧，由焦炭层氧化带生成的部分CO2气体在该层与炽热的焦炭反应，生成CO。炉气的成分不断变化，CO含量自下而上逐渐增加。熔化带贯穿于直接还原带和焦炭层还原带，炉料在直接还原带即开始熔化，降至焦炭层还原带进一步熔化，铁液渗碳，炉渣逐渐形成，使渣、铁分离。
　　
　　焦炭层氧化带：从风口到风口上方自由氧耗尽处为焦炭层氧化带。在该区域内，炉气成分中的CO2含量由下而上逐渐增加，焦炭层氧化带的上部CO2含量达到zui大值，O2含量由zui大值降至微量。该区域是Oxycup竖炉中温度zui高的区域，温度可达2100℃以上，铁液在该区域急剧过热，造渣过程快速进行，炉渣成分不断变化。
　　
　　炉缸：Oxycup竖炉风口以下至竖炉底部为炉缸，炉缸内的气氛为还原性气氛，铁液和炉渣成本基本上不再变化，仅在渣、铁界面上进行铁液和炉渣成分的调整和再分配，铁液和炉渣zui终排出炉外。由于含铁原料和焦炭中有一定的硫含量，Oxycup竖炉生产的铁液硫含量一般较高，应对铁液进行炉外脱硫处理。
　　
　　工艺特点。具体而言，Oxycup工艺具有以下特点：
　　
　　Oxycup工艺使用的造块方法为冷固结球团法，可省去烧结和球团造块工序，减少能耗和降低污染是该工艺的一大优点。同时该造块方法对含铁尘泥原料特性的要求不高，可处理钢铁企业的大部分含铁尘泥。
　　
　　Oxycup工艺采用的含铁物料是大小为100mm～150mm的六棱柱碳砖，粒度较大，因此碳砖内部传热较差，温度低于碳砖表面，高温下碳砖表面会被还原形成金属层，从而提高球团强度，减少因水泥黏结剂高温失效而造成的粉化现象。
　　
　　Oxycup竖炉上部料仓的下方有环形炉气集气室，炉顶装料口的压力接近于零，在竖炉冶炼过程中可使炉顶没有烟气放散。该工艺可以回收得到含锌较高的干式除尘灰或湿式污泥，对外销售给制锌厂或者进行高附加值利用。
　　
　　焦炭层氧化带焦炭燃烧放出大量热量，而焦炭层还原带反应吸收热量，故增大焦炭层氧化带有利于焦炭的利用。焦炭粒度适当增大，可使焦炭层氧化带拉长，同时改善炉膛内的燃烧。因此，Oxycup竖炉使用大块的铸造焦，但铸造焦的价格昂贵，导致Oxycup工艺冶炼成本增加。
　　
　　Oxycup竖炉沿用了冲天炉预热送风与富氧送风的优势，采用富氧热风操作，可大幅度降低焦比，提高风口理论燃烧温度。目前富氧送风已发展为超音速吹氧技术，可将氧气吹到炉子中心，有利于改善竖炉中心燃烧，降低炉壳冷却水温。
　　
　　Oxycup竖炉的废气中包含较大潜能，回收价值高。该工艺炉顶产生的炉气经冷却后由湿式洗涤器进行除尘，采用换热器对炉气热量进行利用，净化后的煤气可作为燃料，进入厂区的煤气网。利用废气中的物理热与CO的再燃烧对Oxycup竖炉进行预热送风，是Oxycup竖炉节能降耗zui合理的途径。
　　
　　总之，Oxycup工艺在处理钢铁企业含铁尘泥方面具有经济性和环保性等方面的较多优势，对钢铁企业来说具有一定的吸引力。但该工艺若想得到广泛推广和应用，须克服目前存在的造块工序投资成本高、流程复杂、使用大块铸造焦、燃料比高、设备运行周期短、维修工作量大等缺点。