熔融还原炼铁法开发现状（二）

3.2.3中试设备试验操作的概况 在对由耐火材料砌筑的熔融还原炉炉体进行5个炉役试验后，又对水冷式炉体的二次燃烧部位的水冷板进行了5个炉役的试验，共计进行了10个炉役的试验，试验炉数总计71炉。 在对耐火材料炉体的试验中，确立了高生产率和长时间稳定操作的基本技术，掌握了各种矿石和煤的操作特性等。 在炉体水冷试验中，确立了与水冷设备有关的技术，并就各种操作因素对炉体散热的影响进行了评价，同时对在炉体水冷条件下的整个工艺的能量平衡进行了评价。 3.2.4熔融还原炉的开发成果 铁矿石的还原需要巨大的反应热，因此熔融还原炉的铁水生产能力受热能供给速度的支配。为提高热能的供给速度，通过优化顶吹氧枪的结构和准确控制原燃料的装入量来控制炉内现象，可以提高二次燃烧率。由于采取了向渣内吹氧的办法，因此能有效地使二次燃烧热向渣相传热，利用吹氧和炉底吹氮对渣浴的搅拌作用，实现了向氧化铁还原反应部位的供热。即，氧化铁还原反应部位可以分为氧化铁的还原区域和用氧将还原产生的一氧化碳进行二次燃烧的氧化区域，同时在传热上两者保持密切的关系。 炉内的渣可以分为上下二层，下部渣层的温度与铁浴基本相同，进行二次燃烧的上部渣层温度比铁浴高150-200℃，二次燃烧热从上部渣层向下部渣层传热。取样结果表明，下部渣层含有因底吹搅拌煤气作用而产生的大量粒铁，且渣层密度高，而上部渣层则处于起泡状态。 另一方面，推测下部渣层和上部渣层的密度分别为1g/cm3和0.3/cm3左右，假设碎焦颗粒的体积密度为0.8g/cm3，碎焦颗粒会沉人下部渣层中，也就是说碎焦有可能分布于下部渣层内。这就暗示着下部渣层中含有大量的粒铁和由煤产生的碎焦，即使从温度分布来看，粒铁和碎焦主要是进行氧化铁的还原反应。当喷吹的氧到达下部渣层时，除了与粒铁中的溶解碳或碎焦颗粒发生反应外，还因会与二次燃烧产生的二氧化碳的反应而产生一氧化碳(二次燃烧的逆反应)。因此，为提高二次燃烧效率，重要的是要控制氧的喷吹轨迹，抑制和下部渣层的干扰。另一方面，虽然吸热效率会随底吹搅拌强度的增大而提高，但超过一定限度的搅拌会降低二次燃烧效率，因此从热效率的观点来看，存在着最佳搅拌强度值。这种现象可以理解为，过大的底吹搅拌会产生大量的粒铁，二次燃烧产生的二氧化碳会被高碳粒铁还原成一氧化碳。熔融还原炉的密闭和加压操作能将装入的细小原燃料的飞散量抑制在最小，并能准确把握和控制炉内的反应、消耗的碳和氧等的平衡。结果能对炉内含碳材料的存在量和熔渣起泡高度等炉内现象进行最佳控制，有助于提高热效率和操作的稳定性。 众所周知，浸没燃烧技术是一种燃烧效率出奇高的燃烧技术，DIOS熔融还原炉的二次燃烧和吸热系统就采用了这一燃烧技术，由于将温度高的二次燃烧区域限定在渣层内，因此散热面积小，且向设置在该部分的水冷板的散热量也小。结果，根据熔融还原炉内的燃烧和渣表面以下产生的还原反应的热平衡计算可知，燃烧效率达到85％以上。 由于反应所需的热量由顶吹氧的燃烧供给，因此在铁矿石的预热温度和预还原率、二次燃烧率及吸热效率一定的条件下，铁水的生产能力与顶吹氧的供给速率有关。 3.2.5预还原炉的开发成果 预热炉和预还原炉中能装入最大直径为8mm的烧结料。通常，用流化床炉处理的粉体粒度范围广、比重大，因此决定原料稳定流动的条件，如原料分散盘的分散出口径、开孔比和与炉内矿石滞留量对应的煤气流量等是一个重要的课题。根据与这些课题有关条件的事先研究成果，确定了中试设备的技术参数和运转方案，在由所规定的熔融还原炉产生的煤气量中，能得到稳定还原率，同时在系统内实现了还原矿石的稳定物流。在预还原炉上被分级的细粒和粗粒矿石的平均还原率与温度有明显的相互关系，在780℃时，平均还原率达到27％左右。 伴随着还原的进行，矿石颗粒会进一步细化，当还原率为27％左右时，大约85％的颗粒径不到0.3mm，但如此细小的矿石即使装入熔融还原炉，也能使熔融还原炉正常运转。 3.2.6煤的单耗 当铁水生产能力提高时，由于每单位铁水量向炉体的散热相对减小，因此煤的单耗也会减小。煤种的不同，其煤耗的差异也明显不同。使用挥发份低的煤时，二次燃烧率高，煤的单耗也会随之减小。 3.3试验结果 对DIOS中试设备进行了试验操作，这期间进行了15天的连续操作和3天日产超过500t的操作等(日产500t是炉体在水冷条件下设备能力的上限)，验证了操作的稳定性，获得了商用设备的设计及工艺经济性评价的基础数据。 3.4商用设备的方案性设计和经济性的评价 根据中试设备的试验数据，作为高炉的替代工艺，对DIOS商用设备进行了方案性设计和经济性的评价，并与高炉法进行了比较。每座DIOS商用设备的生产能力为日产3000t，因此要想达到日产6000t和9000t的规模，必须分别建2座和3座DIOS设备。 3.4.1研究的前提条件 ①厂址的选择：日本国内的临海城市。 ②设备的构成：熔融还原炉、预热炉和预还原炉的组合。 ③设备的规模：日产3000t、6000t和9000t。 ④原燃料 矿石：总铁分为63％的烧结料(日本国内的平均品位)； 煤：挥发份为31.2％、固定碳为59.4％的非粘结煤(日本国内普通煤的平均晶位)； 副原料：石灰石和生白云石。 ⑤工艺评价的范围：从原料码头到铁水装入转炉。 3.4.2研究结果 (1)设备的布置 日产9000t规模的DIOS的布置和高炉法的比较表明，DIOS只需要3个设备，与高炉法相比，能减少原燃料品种，除了可以减少原料场外，还能省掉烧结车间、焦炉副产物回收车间和烧结车间，因此所需的占地面积只是高炉法的l/3。 (2)成本比较 DIOS商用设备的煤单耗为730?750kg／t，与高炉法相比，一座日产6000t规模的DIOS的设备费用可减少35％，生产成本可降低19％。 (3)能量平衡 日产6000t规模的高炉法和DIOS的炼铁能量平衡比较表明，DIOS的回收能量自耗少，总消耗和下游工序供给能量的差，即纯消耗也可比高炉法节约3-4％，这是一种节能型炼铁法。假设以低挥发份煤为基础，随着挥发份的减少，煤单耗和剩余能量会减少。根据IISI技术委员会的整理，DIOS的热效率在已完成开发的工艺中获得了最高的评价。 (4）环境的适应性 由于DIOS有效利用了煤的挥发份，并能大幅度省掉原燃料的预处理工艺，因此二氧化碳排出量可比高炉法减少4-5％。另外，在发生的煤气中没有检测出氮或硫氧化物，是一种有助于环保的工艺。 3.5 DIOS的实际应用 如以上所述，DIOS不论从经济性还是从环保方面来看，都超过了已历经长年改进和开发的高炉法。近几年日本国内粗钢的增长量已达到饱和，已经折旧的设备仍具有生产余力。另一方面，从全世界来看，今后钢铁需求的增长也是可以预计的，对只要少量投资就能生产钢铁的DIOS的期望很高。在日本国内DIOS已达到实用化的成熟期，为传承这一技术，应努力使其达到商用化，其中包括向海外的技术转让。 为适应包括日本国内和国外的各种需求，NKK在DIOS共同研究成果的基础上，对各种商用设备进行对比研究。Single StageProcess为一步法，它是将能源合并使用的工艺；Standard Process为所谓的二步法，它是将熔融还原炉和一座预还原炉组合的工艺，其生产规模和特性前面已经介绍过，即它是一种包括钢铁联合企业的下游工序在内的能量平衡的炼铁工艺。Duplex?DIOS以提高矿石的预还原率为目的，把转底炉(RHF)等与熔融还原炉组合，由此能大幅度提高每一座熔融还原炉的生产能力。 二步法以粒径大约8mm的烧结料为主原料，而DuPlex-DIOS则是把大约0.2mm的粉矿石，即所谓的球团料和粉煤及少量的粘结剂混合在一起进行制粒做成生球团，然后将其放在RHF中烧成。这是一种预还原率高达50-70%左右的高温预还原球团，装入熔融还原炉后就可以炼成铁水。由于其预还原率比二步法的高，因此能提高熔融还原炉的生产能力，降低煤和氧等的单耗，而且熔融还原炉发生的煤气还能作为燃料供给RHF，由此能降低剩余能量。 (待续)