CN113528806B - 一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，包括原料处理、配料、混合、成型、物料烘干、焙烧还原、烟气处理和成品冷却的步骤。本工艺以CO和H2作为还原剂，H2来源于低阶煤热解。本发明有益效果包括：采用碳氢联合还原将铁氧化物还原为金属铁、氧化锌还原成金属锌后挥发再氧化收集，产品金属化率可达到90％以上，比现有产品金属化率提高了30％，脱锌率大于95％。采用碳氢联合还原技术，还原温度低，能耗低。传统转底炉还原温度在1250～1350℃，而本工艺还原温度在800～1230℃，适用范围更广。本工艺还原煤分别在配料和深度还原阶段加入，强化了后期氢还原的还原性气氛，提高了还原效率及金属化率，同时本工艺中的还原煤采用低阶煤，代替无烟煤，成本低。

Description

一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺
技术领域
本发明涉及冶金和矿物工程技术领域，尤其涉及一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺。
背景技术
钢铁厂粉尘量一般为钢产量的8％～12％，含锌粉尘占总粉尘量的20％～30％。目前，国内处理含锌粉尘的方法大概有四种：(1)烧结法。将粉尘返回烧结存在的问题是随着含锌粉尘的不断循环利用，粉尘中锌含量会越来越高，锌的循环富集影响高炉顺行和寿命。(2)选矿法。相对工艺简单、运行成本低、易于实施，但脱锌率不高，从提锌考虑一般作为湿法或火法工艺的预处理工艺。(3)湿法工艺。湿法技术一般用于较高锌含量(>15％)的粉尘处理，相对能耗小、设备投资少，但工艺繁琐，污染大。(4)火法工艺是目前钢厂普遍采用的提锌处理方法，典型工业化代表是回转窑、转底炉技术，基本原理都是利用锌沸点较低、高温易挥发的性质，通过还原使粉尘中的锌挥发再富集回收。回转窑工艺是国内多数钢铁厂处理含锌尘泥的成熟工艺技术，该方法具有工艺简洁、项目投资小等优点。转底炉工艺是目前国内少数钢铁厂处理含锌尘泥的成熟工艺技术，优点是对冶金含锌尘泥具有良好的适应性。回转窑和转底炉工艺还原机理都是碳还原，利用CO作还原剂去除金属氧化物中的氧，由于CO的分子较大，难以渗透到物料内部，存在还原温度高、还原速度慢、金属化率低等问题。
根据CO与H2还原铁氧化物的热力学特性，在温度低于810℃时，CO的还原能力高于H2，在温度高于810℃时，H2的还原能力高于CO，因此在还原前期采用碳还原，还原后期采用氢还原，碳氢联合还原可有效提高还原效率，大大提高还原产品的产量和金属化率。与传统碳还原工艺相比，碳氢联合还原过程需要消耗大量的H2，目前大规模制氢的方法主要有：电解水制氢、天然气裂解制氢、石油气化和裂化制氢、煤气化制氢、焦炉煤气制氢等，以上各种制氢工艺因为生产成本较高，都没有大规模的推广应用，因此能够规模经济地供给氢气是碳氢联合还原工艺发展的前提和基础。
发明内容
本发明专利提出一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，目的在于提供一种高效、节能、环保的处理钢铁厂含锌尘泥的工艺方法。
一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，包括：
一、原料处理，将污泥送至烘干机烘干至含水量约10％左右，烘干后的污泥与含锌粉尘混合后送至配料室料仓中消解、陈化，并将高挥发分煤一磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm；
二、配料、混合，将步骤一中所述混合料、高挥发分煤一、膨润土按比例配料后混匀；
三、成型，将步骤二中混匀后物料制备成含水8％～12％、粒度为6～25mm的湿物料；
四、物料烘干，将步骤三中所述湿物料干燥脱水，干燥后物料水份需满足<5％；
五、焙烧还原，将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为10～80mm，转底炉炉体转动过程中，物料先后需经历以碳为主还原反应、以氢为主还原反应的过程；
六、烟气处理，500～1000℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放；
七、成品冷却，将还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下送至成品仓。
优选地，所述焙烧还原步骤中，其中：
所述以碳为主还原反应包括：
物料在转底炉内被加热时，当表层温度升高到～550℃时，表层还原煤一中的挥发分析出并进入炉膛燃烧空间内，作为燃料燃烬；随着物料的不断升温，物料中的C与CO2发生碳气化反应生成CO，CO作为还原剂开始还原铁氧化物，由于还原煤一发生不充分热解产生的H2量较少，且在温度较低时，H2的还原能力比CO弱，因此在还原前期主要发生的是以碳还原为主的还原反应，该部分还原反应主要发生在转底炉的预还原区；
所述以氢为主还原反应包括两部分：
第一部分：当物料表层温度升高至800～900℃时，物料芯部的还原煤一逐渐开始热解，热解出的挥发分在经过表层的高温环境时发生充分热解，最终的产物为活性碳和H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成H2和CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的H2和CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，将部分金属氧化物还原成为金属，该部分还原反应主要发生在转底炉的浅度还原区。
第二部分：物料经过浅度还原区后进入深度还原区，在转底炉深度还原区上设置多个布料口，将粒度5～25mm的高挥发分煤二布料在高温物料上方，高挥发分煤二开始热解，热解最终的产物为活性碳和H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成H2和CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的H2和CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，将大部分金属氧化物还原成为金属，该部分还原反应主要发生在转底炉的深度还原区。
H2的还原能力比CO强，根据化学反应的选择性，在还原后期CO只有少部分参加还原反应，大部分作为燃料使用，在还原后期主要发生的是以氢还原为主的还原反应。
优选地，所述原料中的氧化锌还原后为金属锌，金属锌挥发进入烟气系统中，并被再次氧化成氧化锌粉末。
优选地，所述高挥发分煤中挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的低阶煤。
优选地，所述配料比例为按照重量份，选取含锌尘泥100份、高挥发分煤一5～15份、高挥发分煤二10～20份、膨润土1～4份。
优选地，所述空气换热器将空气预热至200～400℃，然后进入转底炉作为助燃空气。
优选地，所述转底炉炉膛内部通过烧嘴燃烧进行供热，炉内还原温度最高为1230℃，产生的烟气在炉料上方与物料旋转方向逆向流动过程中，依靠炉壁和火焰的辐射传热，将燃料燃烧产生的热量传递给物料；
优选地，所述氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
所述转底炉设置多个布料口，布料口一用于物料的布置，其余布料口用于高挥发分煤二的布置。
所述转底炉还原区分为预还原区、浅度还原区和深度还原区。预还原区温度500～1000℃，浅度还原区温度600～1100℃，深度还原区温度800～1230℃，还原时间为10～60min。
在本工艺中带来的有益效果：
1)采用碳氢联合还原将铁氧化物还原为金属铁、氧化锌还原成金属锌后挥发再氧化收集，产品金属化率可达到90％以上，比现有产品金属化率提高了30％，脱锌率大于95％。
2)采用碳氢联合还原技术，还原温度低，能耗低。传统转底炉还原温度在1250～1350℃，而本工艺还原温度在800～1230℃，适用范围更广，更受用户欢迎。
3)本工艺还原后期以H2作为主要还原剂，副产物是水，绿色环保，处理每吨粉尘碳排放量是碳冶金转底炉工艺的50～70％。
4)本工艺还原煤分别在配料和深度还原阶段加入，强化了后期氢还原的还原性气氛，提高了还原效率及金属化率。
5)本工艺还原煤采用低阶煤，代替无烟煤，成本低。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明中一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
实施例一
含锌尘泥中含有TFe 41.51wt％，C 13.09wt％，Zn 2.84wt％，SiO2 5.2wt％，CaO8.84wt％，Cl 0.59wt％。请参阅图1所示，一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，包括：
(1)原料处理：将污泥送至烘干机烘干至含水量约10％左右，烘干后的污泥与含锌粉尘混合后送至配料室料仓中消解、陈化。选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分成两部分，将高挥发分煤一磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm。
(2)配料、混合：选取含锌尘泥100份、高挥发分煤一12份、膨润土2份，按比例配料后混匀。
(3)成型：将混匀后物料制备成含水10％、粒度为20mm的湿物料。
(4)物料烘干：将湿物料干燥脱水，干燥后物料水份<5％。
(5)焙烧还原：将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为40mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二18份，分别由3个布料口加入，控制预还原区温度750℃，浅度还原区温度900℃，深度还原区温度1150℃，还原时间30min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的CO将物料充分还原。
(6)成品冷却：还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下送至成品仓，物料金属化率92.3％，锌脱除率97.2％。
(7)烟气处理：原料中的氧化锌还原为金属锌，金属锌挥发进入烟气系统中，并被再次氧化成氧化锌粉末。720℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放。氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
实施案例二
含锌尘泥中含有TFe 41.51wt％，C 13.09wt％，Zn 2.84wt％，SiO2 5.2wt％，CaO8.84wt％，Cl 0.59wt％。请参阅图1所示，一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，包括：
(1)原料处理：将污泥送至烘干机烘干至含水量约10％左右，烘干后的污泥与含锌粉尘混合后送至配料室料仓中消解、陈化。选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分成两部分，将高挥发分煤一磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm。
(2)配料、混合：选取含锌尘泥100份、高挥发分煤一15份、膨润土3份，按比例配料后混匀。
(3)成型：将混匀后物料制备成含水10％、粒度为20mm的湿物料。
(4)物料烘干：将湿物料干燥脱水，干燥后物料水份<5％。
(5)焙烧还原：将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为60mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二18份，分别由3个布料口加入，控制预还原区温度780℃，浅度还原区温度950℃，深度还原区温度1180℃，还原时间35min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的CO将物料充分还原。
(6)成品冷却：还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下送至成品仓，物料金属化率91.7％，锌脱除率95.8％。
(7)烟气处理：原料中的氧化锌还原为锌，锌挥发进入烟气系统中，并被再次氧化成氧化锌粉末。750℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放。氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
实施例三
含锌尘泥中含有TFe 41.51wt％，C 13.09wt％，Zn 2.84wt％，SiO2 5.2wt％，CaO8.84wt％，Cl 0.59wt％。请参阅图1所示，一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，包括：
(1)原料处理：将污泥送至烘干机烘干至含水量约10％左右，烘干后的污泥与含锌粉尘混合后送至配料室料仓中消解、陈化。选取挥发分含量30～50％、灰分含量<10％的高挥发分煤，分成两部分，将高挥发分煤一磨至粒度100～200目，将高挥发分煤二破碎至粒度5～25mm。
(2)配料、混合：选取含锌尘泥100份、高挥发分煤一15份、膨润土3份，按比例配料后混匀。
(3)成型：将混匀后物料制备成含水10％、粒度为20mm的湿物料。
(4)物料烘干：将湿物料干燥脱水，干燥后物料水份<5％。
(5)焙烧还原：将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，料层厚度为60mm，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二20份，分别由4个布料口加入，控制预还原区温度800℃，浅度还原区温度980℃，深度还原区温度1200℃，还原时间35min，高挥发分煤热解产生的H2与碳气化反应生成的CO将物料充分还原。
(6)成品冷却：还原后的产品DRI从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下送至成品仓，物料金属化率92.1％，锌脱除率96.8％。
(7)烟气处理：原料中的氧化锌还原为锌，锌挥发进入烟气系统中，并被再次氧化成氧化锌粉末。780℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至～200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气(～120℃)经除尘、脱硫脱硝达标后排放。氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
具体而言，在实施例1至3中，需要注意的是：
步骤一中将高挥发分煤一磨至粒度100～200目，在此范围内，更易实现碳氢联合还原。粒度过粗，含锌尘泥与碳接触较差，不利于前期碳为主的还原反应，粒度过细，煤热解过快，氢气未有效的参与还原即被烧掉，并且增加磨矿成本。
步骤三中湿物料的粒度为6～25mm，若粒度过细，烟气中粉尘量大，回收的氧化锌粉品位低，粒度过粗，容易出现物料芯部还原反应不完全。
步骤四中要求干燥后物料水份需满足<5％，若水分含量过高，不利于氢气还原金属氧化物生成水向正反应方向进行。
步骤五焙烧还原中以氢为主的还原反应，在深度还原区加入高挥发分煤二，主要用于增强氢气浓度，使氢气浓度不低于55％，强化后期氢还原，提高产品金属化率。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，包括：一、原料处理：将污泥送至烘干机烘干至含水量 10
Figure 455807DEST_PATH_IMAGE002
左右，烘干后的污泥与
含锌粉尘混合制得含锌尘泥后送至配料室料仓中消解、陈化，并将高挥发分煤一磨至粒度 100~200 目，将高挥发分煤二破碎至粒度 5~25mm；
二、配料、混合：将步骤一中所述含锌尘泥、高挥发分煤一、膨润土按比例配料后混匀；
三、成型，将步骤二中混匀后物料制备成含水 8
Figure 904106DEST_PATH_IMAGE002
~12
Figure 90368DEST_PATH_IMAGE002
、粒度为 6~25mm 的湿物料；
四、物料烘干，将步骤三中所述湿物料干燥脱水，干燥后物料水份需满足<5
Figure 16735DEST_PATH_IMAGE002
；五、焙烧还原，将物料由转底炉的第一布料口均匀布在转底炉环形炉床上，
料层厚度为 10~80mm，转底炉炉体转动过程中，物料先后需经历以碳为主还原反应、以氢为主还原反应的过程，物料随转底炉转动先后经过预还原区、浅度还原区和深度还原区，在深度还原区加入高挥发分煤二，分别由多个布料口加入，所述预还原区温度 500~1000°C，所述浅度还原区温度 600~1100°C，所述深度还原区温度 800~1230°C，还原时间为 10~60min；
六、烟气处理，500~1000℃高温烟气由转底炉排出经空气换热器、余热锅炉多级回收余热后，温度降至~200℃，进入转底炉烟气除尘器，净化后的烟气尾气送至烟气炉与热烟气混合后用于物料烘干，烘干后的烟气~120℃经除尘、脱硫脱硝达标后排放；
七、成品冷却，将还原后的产品 DRI 从转底炉内排出，进入冷却机冷却至200℃以下送至成品仓。
2.根据权利要求 1 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，所述焙烧还原步骤中，其中：
所述以碳为主还原反应包括：
物料在转底炉内被加热时，当表层温度升高到~550℃时，表层还原煤一中的挥发分析出并进入炉膛燃烧空间内，作为燃料燃烬；随着物料的不断升温，物料中的 C 与 CO2发生碳气化反应生成 CO，CO 作为还原剂开始还原金属氧化物，由于还原煤一发生不充分热解产生的 H2量较少，且在温度较低时，H2的还原能力比CO 弱，因此在还原前期主要发生的是以碳还原为主的还原反应，该还原反应主
要发生在转底炉的预还原区；
所述以氢为主还原反应包括两部分：
第一部分：当物料表层温度升高至 800~900℃时，物料芯部的还原煤一逐渐开始热解，热解出的挥发分在经过表层的高温环境时发生充分热解，最终的产物为活性碳和 H2，H2 会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成 H2 和 CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的 H2和 CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，将部分金属氧化物还原成为金属，该部分还原反应主要发生在转底炉的浅度还原区；
第二部分：物料经过浅度还原区后进入深度还原区，在转底炉深度还原区上设置多个布料口，将粒度 5~25mm 的高挥发分煤二布料在高温物料上方，高挥发分煤二开始热解，热解最终的产物为活性碳和 H2，H2会与达到还原温度的金属氧化物发生还原反应，生成金属和水，水又与碳进行碳气化反应生成 H2和 CO，H2再作为还原剂还原金属氧化物，再生成水，水又会气化新的碳生成新的 H2 和 CO，如此循环往复产生剧烈的耦合效应，将大部分金属氧化物还原成为金属，该部分还原反应主要发生在转底炉的深度还原区；
H2的还原能力比 CO 强，根据化学反应的选择性，在还原后期 CO 只有少部分参加还原反应，大部分作为燃料使用，在还原后期主要发生的是以氢还原为主的还原反应。
3.根据权利要求 2 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，所述原料中的氧化锌还原后为金属锌，金属锌挥发进入烟气系统中，并被再次氧化成氧化锌粉末。
4. 根据权利要求 1 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，高挥发分煤中挥发分含量 30~50
Figure 408271DEST_PATH_IMAGE002
、灰分含量<10
Figure 761892DEST_PATH_IMAGE002
的低阶煤。
5.根据权利要求 1 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工
艺，其特征在于，所述配料比例为按照重量份，选取含锌尘泥 100 份、高挥发分煤一 5~15 份、高挥发分煤二 10~20 份，膨润土 1~4 份。
6.根据权利要求 1 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，所述空气换热器将空气预热至 200~400℃，然后进入转底炉作
为助燃空气。
7.根据权利要求 1 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，所述转底炉炉膛内部通过烧嘴燃烧进行供热，炉内还原温度最高为 1230℃，产生的烟气在炉料上方与物料旋转方向逆向流动过程中，依靠炉壁和火焰的辐射传热，将燃料燃烧产生的热量传递给物料。
8. 根据权利要求 3 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，所述氧化锌在余热锅炉灰仓和转底炉烟气除尘器中逐级回收。
9.根据权利要求 2 所述的一种钢铁厂含锌尘泥高效转底炉直接还原处理工艺，其特征在于，所述转底炉设置多个布料口，布料口一用于物料的布置，其余布料口用于高挥发分煤二的布置。
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