消化粉矿与减排二氧化碳

    南非的铁、锰、铬等矿石的开采作业中会产生相当数量的粉矿，在选矿的过程中也会产生粉矿。因此，设计出一种能处理日益增长的粉矿的工艺显得愈发重要。另外，随着相当数量的尾矿成为可用的资源，就产生了一种需求，需要有一种工艺能回收残留的金属价值。与此同时，难熔氧化物的直接还原工艺的前景也对南非的铁合金企业有很大吸引力，因为它能降低熔炼炉的电力需求和碳消耗量，再有，就是提高金属回收率和冶炼炉产量的潜力。、

南非科学工业研究院（CSIR）正在研究一种用来处理粉矿的直接还原工艺，已通过了LG6的铬铁矿和锰矿的试验，但并不局限于此。用来加热和供给还原反映的能量由添加的煤粉供应。实验室工作验证了Cr的金属化率在90%以上，在锰矿石的处理上，Mn几乎全部还原。这个技术不仅适用于矿粉，还可用来处理任何厂内废物。

除了LG6铬铁矿外，UG2矿在开采白金时废弃的矿料中含有数量巨大的铬，这些废料也可用来加工处理。

  背景

直接还原铁工艺是人们熟知的，它有许多变种。这种工艺给炼钢企业带来许多好处，其中有低残留和在短缺时期替代部分废钢等。至今，产量最多的是使用天然气的Midrex技术。南非几乎没有天然气可用，故采用煤基回转窑工艺和块煤进行生产。在Corex工艺中，进行的是气基还原还原反映，块煤是能量的源头。几乎很少有工艺使用在南非供应充足的粉煤。转底炉就是这样的一种工艺，现有两套装置在日本使用。

用于合金生产的直接还原工艺有实质性优点，相当重要的是降低了工艺最终熔炼阶段的电能需求。因为还原难熔氧化物的难度高，几乎没有工艺在生产。现在南非使用的两个工艺是在熔炼前进行部分预还原。米德尔堡的Samancor铬铁厂是少数能同时生产高碳铬铁和低碳铬铁的工厂。生产中，混合矿和煤装入回转窑，生产出来的产品装进直流电炉进行最终的熔炼。它的意图是使用冶金级矿石并实现高金属回收率。现已知道，升温后的结瘤带来了一些生产问题。

在莱登堡的Showa Denka生产线上，矿石和含碳原料磨碎后造球，装进回转窑，温度在1290℃以上，因为炉料软化后会结瘤，故要把温度控制好。可以实现60%以上的铁、铬复合还原率。这些进行了部分还原的球团再热装进熔炼炉。虽然铬和铁的复合还原率只有60%~70%，但确实能降低熔炼炉的电力需求。

因为回转窑的高温软化与结瘤问题，所以要使用较低的温度，转化率也低。虽然在电解法冶炼锰的过程中采用了粉矿的部分还原技术，但还没有锰的直接还原工艺。氧化锰的耐火性意味着，要在直接还原工艺中获得合理还原率，温度就要控制在碳化锰合金的熔电以上。另外，CSIP也在开发一种从炉渣中回收钛的两步法工艺。

  CSIR概念

为解决软化和结瘤问题，为获得更高的还原度，为利用采矿和加工过程中产生的粉矿，CSIR推演出一种直接还原概念，它由一个间接加热隧道窑构成，矿粉在这里造块，并加热到1400℃以上，不会因软化和粘结造成生产问题。能在高温下连续处理固态料而不会结瘤的其他种类的窑炉还没有文献记载。

隧道窑固有的结构特点有许多优点，使它适合在对结瘤要求不严格的地方使用，如直接还原或矿物提取工艺。这种隧道窑的设计与陶瓷、制砖行业使用的隧道窑类似，但又有很大的差别：

窑内气氛为高度还原性气氛；

在燃烧室内燃烧还原过程产生的废煤气对隧道窑进行间接加热，燃烧室用耐热陶瓷隔板与还原室隔开，隔板使用碳化硅砖砌成，可以经受高达1700的高温，因此，电能基本不需要；

使用内置热交换器从燃烧煤气中回收显热，间接预热进入隧道窑的原料；

原料在进入隧道窑前已经造块，并制成有利于热传导（对流和热辐射）的形状，还要在处理时保持尺寸的稳定。

以适当比例混合的原料（要进行还原的矿石、还原剂煤、粘结剂和熔剂等）在层铺到窑车上之前要进行造块和干燥处理，尔后使用一个双门密封室以半连续方式送进隧道窑。隧道窑的生产类似推料式加热炉。炉料在向前运动的过程中，被热交换器从高温燃气中获取的热量加热。利用风扇加速工艺煤气流经热交换器和铺在窑车上的炉料，改善了传热。随着炉料温度的上升，煤释放出挥发分。挥发分和炉料一同进入隧道窑，这样，就杜绝了焦油的冷凝现象，而且，挥发分随着温度的上升发生裂解。这些炉料被预热到600-800℃。挥发分从隧道窑排出后送进燃烧室，在这里与还原时产生的一氧化滩混合，并与空气混合进行燃烧。

炉料继续用热辐射方式加热到可以和还原剂发生反映，生产还原物料和一氧化碳。供给反映的能量由在燃烧室内燃烧放散煤气的手段获得。为保证还原反映有能得到足够的能量，用从高温产品中回收的热量预热助燃空气。还原后的物料在接触空气前要冷却，反之氧化，最好成绩在氮气中进行。氮气逆着物料移动方向在窑内流动，在窑外冷却。一旦炉料得到足够冷却，就可以借助与入口处相似的双门室离开隧道窑。隧道窑估计有120m长。

  概念验证

用铬铁矿和锰矿石进行了还原测试。Cr的金属化率在90%以上，当使用非常细的原料时可达到98%。测试在1400℃的一氧化碳气氛中进行。

对于锰矿石，可以得到高金属化率。然而，因为化学成分难于分析，这还不能量化，即不能确定式样中不同价态的锰和铁，因此，这个结果是建立在质量减少的基础上的。在1375℃一氧化碳气氛中的停留时间的效果得到了量化。停留时间6h以上，还原率至少95%。对于6h的停留时间，在相似的试验中，温度变化的效果也得到了量化。在1325-1350℃间，还原突然发生变化应该是由于以下两种现象中的一种造成的。

Mn-SiO₂系液相包含了熔电1345℃的正硅酸盐（Mn₂SiO₄）、与Mn₂SiO₄在1251℃工熔的偏硅酸盐（MnSiO₃），以及在1315℃共熔的Mn₂SiO₄-MnO。在当前的CO-CO₂气氛中，有在整个成分范围内生成Mn₂SiO₄的迹象。另一种现象是随着液态锰碳含量的增加而生成熔电1340℃的。这种碳化物应该是少量的存在于人造块矿中，知道脉石全部熔尽才聚集在一起。在锰矿石—煤炭—粘结剂的人造矿中，煤的比重越高，还原度越高。因为处理温度高出熔点40℃，料块会熔化。选择一种炉渣改良剂，就有可能生成一种耐高温的料块。由于料块的形成，会得到更高的还原率，这对原料的加工处理是很重要的。

  CO₂排放

相比熔炼炉的用电低效，直接还原高效地使用了煤炭，故隧道窑工艺降低了单位产量的CO₂排放量。表中给出了两种生产工艺CO₂排放量的比较。电耗从传统流程的每吨液态合金3400kWh降低到隧道窑配加熔炼炉工艺的2400kWh。

表1 隧道窑工艺与传统工艺CO₂排放量比较

注：*以完全还原的化学质量计量为基准。

煤的添加量用碳比1.33或2乘以化学计量值表示。从测试得知，碳比1.33可以保证Cr的金属化率在90%以上，而铁的金属化率更高。碳比2.0就能有更多的能源来满足窑炉生产时的价格需要。为保证炉料的导电能力，熔炼过程中海另外需要一些碳，然而，在深入的研究测试完成前，这部分的添加量还不能确定。

在锰的生产中，围绕着节电也可以找到相似的证据。在隧道窑工艺中，烧结设备是不需要的，隧道窑在炉料的焙烧方面有很多优势，这样就能更好地对炉子进行控制。预计每吨合金节电量在1MWh以上。

其它经营者也在尝试减少CO₂排放量。在挪威，正在研究将生物碳作为煤、焦等化石燃料最有可能的替代品，这将使挪威铁合金工业的CO₂年排放量从300万t减到250万t。然而，生物碳的成本大约是化石燃料的两倍。

  其它铁合金

另一种可能性是用Corex设备生产Fe-Mn和金，这时用到的锰将来自隧道窑。这就使得锰铁合金的生产不会像用高炉生产时有极高的出口煤气量。

  生命周期分析

在分析对环境的影响时，生命周期分析是一个功能强大的工具，可以确定哪一种原料或生产工艺对环境影响最大。南非铬铁工业中，处理铬铁矿粉最常用的方法是造球和烧结。铬铁矿石研磨后混入少量焦炭，在氧化性条件下烧结，在普通埋弧电炉上还原。在锰工业中，基本上没有更好的能处理粉矿的工艺，仍考虑使用烧结，而对于低品位含钛炉渣，目前还没有开发出新的可供对比的方法。因此，生命周期分析法被限制在与铬铁工业使用的烧结法进行比较。

假定这两种生产方法有相同的界区，即从原料堆放场到液态合金。这忽略了采矿和液态产品的处理，即浇铸、破碎等。除了工厂布局不同外，工艺能耗是有差别的。隧道窑工艺使用原煤进行还原（716kg/t液态金属），用电能进行最终的熔炼（2400kWh/t）。因为有前面的预还原步骤，熔炼炉阶段需要的电能下降了。另外，在最终熔炼阶段，为保证残余氧化物还原，需要再添加一些煤或焦炭（20kg/t）。标准工艺使用电能（3400kWh/t）进行熔炼，大量的焦炭（5469kg/t）被用来充当还原剂，并还要担负维持炉料的导电性。烧结需要的能源来自熔炼炉的放散煤气和球团中混入的焦。研究发现，这两种工艺的粉尘都是影响环境的重要因素。然而，没有数据能表明导电哪个工艺排放的粉尘更多，因此，比较时忽略了粉尘的影响。

比较结果分4个方面，即人类健康（致癌与气候变化）、资源（矿石与矿物燃料）。因为预料到更高的金属收得率，资源影响是一个预料到的结果。在人类健康方面，气候变化是因为发电和用碳还原排放了。致癌影响很大程度归咎于用化石燃料发电，发电过程产生的一些化学物质是致癌的CO₂。在质量与能量平衡计算上，假定给这两种工艺的铬铁矿都是高品位矿粉。由于隧道窑工艺铬收得率高，故它的影响更小。然而，如果假定有更多的UG1废弃的铬铁矿在隧道窑中使用，那么，它在对矿物资源的影响上比标准工艺更值得赞许。可知，新工艺对生态系统的影响减轻了，这可以再一次归咎于用化石燃料发电。

因为这些影响是附加上的，可以认为，隧道窑工艺对环境的影响要比标准工艺小，对于人类健康，约低28%，对于生态系统，约低23%，对于资源，约低16%。

  结语

这个值得推荐的隧道窑技术有如下发展应用潜力：

用直接还原铬铁矿生产更便宜的铬铁合金；

用高度还原的铬铁矿直接生产不锈钢；

用直接还原锰矿石生产更便宜的锰铁合金；

生产粗硅铁；

直接还原的铁矿粉，尤其是磁铁矿，可装入高炉使用；

直接还原厂内废弃物，提高工厂产量；

从含钛炉渣中回收TiO₂。

还原硫酸盐。

其优点有：

有加工处理粉料的能力，能够使用采矿过程中产生的矿粉；

能处理高温下软化、易粘结的原料；

使用煤进行还原，不再需要焦炭；

降低了熔炼电耗，从3400kWh/t降到2400kWh/t；

当使用低品位的UG2尾矿时更经济；

降低CO₂排放量，对于铬铁生产，减排约20%；

更高的金属回收率；

直接还原铁矿粉不需要压块处理。