一种高炉炼铁技术探讨

高师敏

（四川省达州市经济和信息化局， 四川 达州 635002）

现行高炉炼铁技术存在以下不足：使用焦碳为燃料，铁矿石粉需要经配料，烧结或球团处理后，才能入炉；炼焦，烧结或球团耗能、耗时，其产生的三废污染环境；炉料在炉内冶炼周期较长，生产效率较低；产品成本较高等。为了克服这些不足，作者利用现有高炉炉体及部分附属装置，稍加改造，提出一种新的高炉炼铁技术。

1 技术介绍

1.1 流程

铁精粉，煤粉、熔剂粉和处理后的返料粉（粒度-200 目不少于80%），这四种粉末经计量、配料、混合、干燥成为料粉（含水率小于1.0%）。以0.2～1.0 MPa压力的净煤气（温度20～100 ℃）作为喷嘴的下料风。在高炉炉顶中心处，将料粉垂直向下喷入炉内(喷气速度60～120 m/s)。料粉被分散成单个颗粒，悬浮在炉内。在高炉原炉气引出口处安装的4 个喷煤燃烧器，沿斜下方向，向炉内喷入高温还原烟气。火焰温度1 600～1 800 ℃。（氧化剂为富氧空气，过剩空气系数0.75～0.95）四股烟气形成螺旋式气流。料粉颗粒在螺旋烟气流中，迅速被加热、熔化、还原。在极短时间内，变成液态铁滴、渣滴落入炉缸。安装在原高炉风口处的数个喷煤燃烧器，向炉缸内喷入高温还原烟气。少许未反应的料粉颗粒，在炉缸内被熔化、还原，同时进行造渣、脱硫等反应。炉缸内的炉渣和铁水，定时从原高炉的排渣口、排铁口排出。炉缸内的炉气，温度约1 300～1 500 ℃。其主要成分是CO2、CO、H2O、NOx、CH4，N2、H2S、NH4、HCN 等。炉气中混杂有少许料粉颗粒，以及铁滴、渣滴，碱金属、低沸点金属微粒等。这种含尘炉气，从原高炉另外的4～8 个风口被抽出。经过斜下保温管道，切线进入再熔炉锥筒内作旋转运动。炉气中密度较大的铁滴、渣滴，因离心力和重力作用，落入锥筒下部的炉缸里。经静止。渣、铁分层。定时出铁。出渣。炉气折返向上流入再熔炉下室。下室圆周上数个喷煤燃烧器，向斜下方向喷入螺旋式高温还原烟气，炉气再次被卷入螺旋气流中。炉气中残存的料粉颗粒被熔化、还原。生成的铁滴、渣滴落入炉缸里。为了保持炉缸内铁水温度，可向铁水喷入氧气。剩余的炉气中还含有少许碳粒等颗粒。该炉气从炉内中央上升，通过缩口进入再熔炉上室。在缩口处，喷入水蒸气和碳粉（碳粉载气为净煤气，压力0.5～1.0 MPa）。在高温（1 200～1 500 ℃）条件下，炉气中的碳粒与水蒸气，炉气中二氧化碳与碳粒等，发生碳的气化反应。生成的一氧化碳、氢气进入炉气，使之成为粗煤气（含φ（CO+H2）＞50%）。从再熔炉上部抽出的粗煤气温度为800～1 000 ℃，含尘率0.5%～3.0%。进入废气锅炉。从废锅尾部流出的粗煤气温度约400～500 ℃。通过换热器，干燥料粉。再经过布袋除尘器、电除尘器、脱硫、脱硝等设备净化处理。得到的净煤气储存于煤气柜中。柜中的净煤气，一部分经升压后，作料粉、煤粉输送气体、喷嘴的下料风气体、缩口碳粉载气。其余净煤气作为中热值燃气使用。再熔炉、废气锅炉产生的过热蒸汽，一部分作为再熔炉缩口喷吹水蒸气来源；其余蒸汽可用于发电。大型高炉采用本技术，产生的净煤气，可考虑建设IGCC 电站。上述各净化设备回收的铁粒、渣粒、粉尘，可从中提取锌、铅、钾、钠等金属。剩余的含铁颗粒，经处理后作为返料入炉。渣、粉尘可作建材原料。本技术需要的氧气、由原制氧站提供。原高炉的其余风口堵死。大型高炉炉顶处可设置三个（2～6个）料粉喷嘴，选择4～10 个风口作为炉气抽出口。选择4～8 个风口安装喷煤燃烧器。其余风口堵死。原高炉炉缸、再熔炉炉缸排出的铁水和炉渣，可共用一个密封溜槽和澄清池。从澄清池中分离铁水和炉渣。流程示意图见图1。

图1 流程示意图

1.2 主要设备及附属设施

1.2.1 主要设备组成

高炉炉体（改造）1 座；再熔炉（重力除尘器改造）1 座；立式废气锅炉（选配）1 套；喷嘴（选购）1 套.喷煤燃烧器（选购）6～10 套。

1.2.2 主要设备

1）高炉炉体。去除现有高炉的上料及炉顶加料设备、炉顶煤气导出管件、热风围管及风口喷吹设备等。新增料粉制备、计量、配料、输送设备。在炉顶安装料粉喷嘴装置。在煤气导出口、炉缸部分风口安装喷煤燃烧器。在炉缸部分风口安装炉气抽出保温管道等。现有高炉炉体其它部位的结构、设施等保持不变。

2）再熔炉。再熔炉是一个由炉缸、锥筒、下室、缩口和上室组成的圆柱体容器。炉壳用耐热钢板焊接、拼装而成。上室炉壁为水冷壁结构。缩口以下炉壁内衬隔热层和耐火砖。炉体底部为炉缸。炉缸底面敷设有几组透气砖。透气砖上的氧气输入管与炉缸下面的氧气输送管道连接。炉缸侧壁上有排铁口和排渣口。炉缸上面是锥筒。锥筒上部有炉气进入口。下室炉壁对称布置有喷煤燃烧器安装孔。缩口周边有水蒸气、碳粉喷入孔。上室有粗煤气抽出孔、蒸汽包、防爆装置等。再熔炉结构示意图见图2。

3）废气锅炉。根据高炉运行压力、炉气温度和流量等参数，选配合适的立式废气锅炉。

4）喷嘴。选用带调风锥中央扩散型喷嘴[1]。该型喷嘴由喉口、风箱、分料锥、调节锥、固定料管等组成。1 080 m3的高炉，可选用投料能力：160～200 t/h的喷嘴。生铁设计产量80～100 万t/a。

5）喷煤燃烧器。选用管式旋流喷煤燃烧器[2]。该燃烧器具有燃烧连续、稳定，直至燃尽等性能。可选择PW-1 型多煤种管式旋流喷煤燃烧器。

1.2.3 附属设备、设施

矿粉、煤粉、熔剂粉等的制备、运输、储存、配料、干燥、输送设施。料粉喷嘴配套设施。喷煤燃烧器配套设施。制氧设备、煤气净化及煤气压缩机（或原有鼓风机）设备。废气锅炉及蒸汽发电机组设施。炉渣、铁水处理设施。各设备生产运行在线监测、数据传输设施。运行计算机调控设施等。

图2 再熔炉结构示意图

2 技术特点

利用现有高炉炉体及部分设备、设施。采用矿粉直接入炉炼铁。使用煤粉为燃料和还原剂，不需要焦碳、烧结矿、球团矿或块矿。铁氧化物颗粒在高温还原气氛中，在极短时间内完成熔化、还原等冶炼过程。

3 优、缺点

1）优点。高炉炼铁工艺得到简化。生产效率较高。炼铁成本较低。对环境污染较小。高炉使用寿命大幅度延长。

2）缺点。技术的可行性需要论证、试验。部分设备、设施的改造，需要资金投入。

4 两种炼铁技术主要技术经济指标简要对比

4.1 三废和噪音产生工序对比（见下页表1）

从表1 中可知，高炉采用本技术后，三废、噪音的产生量可减少70%以上。

表1 三废和噪音产生工序对照表

4.2 原料加工费和燃料消耗估算

设定条件：烧结矿加工费90 元/t；球团矿加工费40 元/t；矿粉加工费20 元/t；石灰石加工费50 元/t。现行高炉炼铁技术生产1 t 生铁消耗1.6 t 烧结矿或球团矿；焦比0.4 t，煤比0.2 t。本技术生产1 t 生铁消耗1.6 t 料粉；耗煤0.6 t；耗石灰石0.3 t。山西一级冶金焦：2 000 元/t；无烟煤：300 元/t，石灰石：50元/t；两种炼铁技术吨铁原料加工费、燃料消耗估算对比，见表2。

表2 原料加工费、燃料消耗对比表

5 结语

高炉采用本技术炼铁，在理论上，可以大幅度节能、减排和提高企业经济效益。在当今资源、环保、市场环境下，我国高炉炼铁产业需要摸索出一条可持续发展的工艺技术路线。