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冶金科技奖特等奖 | ​欧冶炉熔融还原炼铁工艺技术研究——欧冶炉工艺技术创新未来可期

浏览次数: 日期:2022年8月12日 15:05
CISA 中国钢铁工业协会 2022-08-11 19:17 发表于北京

完成人

 

陈德荣、肖国栋、袁万能、朱仁良、毛晓明、许晓兵、邹庆峰、张建良、李 涛、许海法、冯华堂、田宝山、田 庄、陈若平、吕遐平、李 建、彭银加、田 果、王 忠、林金嘉、李克江、张开鉴、倪永彪、张福平、季书民、金 松、王金诚

完成单位

 

宝钢集团新疆八一钢铁有限公司、宝山钢铁股份有限公司、宝钢工程技术集团有限公司、北京科技大学

 


钢铁材料是国民经济建设不可或缺的基础材料,我国的钢产量达到10亿吨,有力地支撑了国民经济的快速发展。其中高炉-转炉长流程产量约占90%。高炉炼铁工艺能源转化效率高、规模大,但对优质焦煤依赖性强,与我国焦煤匮乏、动力煤丰富的资源特点不匹配,可持续发展能力弱。

COREX熔融还原炼铁技术是旨在减少焦煤资源依赖的非高炉炼铁技术。中国宝武于2007年引进并建成了世界上最大的COREX生产装置,但由于原工艺技术的诸多限制,建成后的COREX一直面临原燃料适应性差、燃料比高、竖炉黏结严重等问题的困扰。2015年,COREX迁建至八钢。在随后的多年里,项目团队敢闯敢试,开展了大量的基础研究、设计研究和工业应用研究,实施了一系列重大技术创新并取得了显著成效。开发了适合欧冶炉冶炼特点的原料结构,拓展了原料的适应性;创造性地开发了气化炉拱顶喷煤造气的工艺,解决了非炼焦煤清洁高效使用问题;首次开发了冶金煤气循环利用技术,改善了欧冶炉炉顶煤气的利用率;研发了竖炉黏结抑制技术,提升了生产的稳定性。

欧冶炉已形成了以动力煤为主(比例达60%)的低品质焦炭、粒煤和煤粉的燃料结构,和可适应各种含铁原料的炉料结构为基础的熔融还原炼铁工艺,生产稳定,铁水成本具有竞争力。欧冶炉作为具有中国特色的熔融还原炼铁工艺,在焦煤资源匮乏、非炼焦煤资源丰富的地区优势显著。在双碳背景下,结合碳循环技术,将对中国以煤为主的炼铁行业绿色低碳转型发展具有积极的示范意义。

 

 

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欧冶炉的创新与突破
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一是解决了非炼焦煤的高效使用问题

原COREX工艺需要块煤在料柱中成为半焦起到骨架作用,因而对块煤的要求很高,强调煤的黏结性和粒度,国内几乎没有煤种能够满足全部质量要求,因此,非炼焦煤使用比例一直很低。为了解决这一问题,欧冶炉项目团队创造性地提出“两炉三段”的技术理念,并将竖炉和气化炉重新定义为“竖炉还原、拱顶造气、气化炉熔炼”三段功能,在竖炉预还原和气化炉熔炼之间增加了“拱顶造气”调节手段,避免了竖炉或气化炉工况波动相互之间的干扰,欧冶炉的稳定性得到保障。

同时,项目团队还根据上述理念研究了气化炉拱顶煤粉高效气化机理,开发了干煤粉造气技术,研制了旋流氧煤喷枪,设计并建成了煤粉高效气化系统。技术实施后显著改善了气化炉的煤气发生量和煤气质量,实现了本地丰富的低品质非炼焦煤资源,替代原奥钢联所要求的高质量标准的块煤,拓宽了欧冶炉燃料资源的使用范围,非炼焦煤的比例从20%提升到了60%,解决了优质焦煤资源缺乏地区发展钢铁工业的制约性问题,攻克了传统炼铁工艺对优质冶金焦的依赖,为欧冶炉低燃料成本奠定了基础,确立了欧冶炉的成本竞争力。

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二是实现了高品质煤气增值利用

针对原COREX工艺煤气利用率低,对外输出了大量高热值的煤气,导致燃料消耗高的问题。欧冶炉项目团队,结合欧冶炉全氧冶炼过程中输出的煤气中氮气含量低、有效成分CO+H2含量高的特性,提出了分离煤气中的CO2后将提质后的煤气(CO+H2)作为还原剂返回欧冶炉利用的技术思路,并结合冶金煤气分离CO2循环喷吹的工艺要求,开发了欧冶炉碳循环工艺原创技术,设计建成了适合冶金煤气循环利用的脱碳和喷吹装置,实现了工业化应用。这也是炉顶煤气脱碳循环喷吹在冶金行业的首次成功应用。脱碳后的还原煤气用于风口喷吹之后,不仅使欧冶炉气化炉料柱温度场分布更加合理,操作更加稳定,同时也使得欧冶炉固体燃料消耗显著下降。此外,该技术的应用还副产了大量CO2,脱水后的纯度可达到99.6%以上,为未来的碳利用奠定了基础。

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三是解决了炉料黏结的问题

在COREX工艺条件下,因为炉料黏结引起的休风占整个休风时间的70%以上,极大地影响了生产的稳定性。欧冶炉项目团队通过对黏结机理的深入解析,探明了竖炉内炉料黏结的机理,并研发了控制气化炉高温煤气反窜至竖炉的技术,彻底解决了竖炉下部因粘结停炉清空的难题,提升了竖炉运行稳定性。

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四是拓展了含铁炉料的适应性

由于COREX工艺对含铁炉料的苛刻要求,欧冶炉技术团队,针对竖炉内还原气氛强、煤气流量大,压力高,炉料还原时因晶格转变易粉化导致料柱的透气性差难以使用的问题,开发了适合竖炉使用的超高碱度、高MgO烧结矿,有效解决了炉内使用烧结矿导致易还原粉化的难题。烧结矿用量可达到50%的水平。

此外,通过对操控技术的系统研究,项目团队还形成了原燃料质量控制等一系列标准操作技术,并对关键装备性能进行了系统改进提升,开发了高温布料器、特大型垂直胶带机、长寿粉尘线等,均取得了显著效果。

欧冶炉技术已授权发明专利15项,实用新型专利84项。经中国金属学会专家组鉴定,项目达到国际领先水平。

 

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推广利用欧冶炉前景可期
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自欧冶炉投产以来,产量、作业率、燃料消耗等关键指标逐年改善。2021年作业率已达到了93.4%;焦比约140kg,燃料比约为821kg,而且铁水成本也在不断降低,2021年同比八钢2500m3高炉,吨铁成本低约300元,结合产量,欧冶炉全年相比八钢自有的高炉有3.09亿元的成本优势。与国外COREX和FINEX相比,欧冶炉的经济技术指标已处于领先地位,特别是动力煤比例已达到60%,优势明显。

根据2022年国内典型的原燃料和公辅能介价格测算,欧冶炉技术在内地推广后的铁水成本同比高炉低百余元,仍具较强的推广价值。特别是在如今焦煤和非炼焦煤价差日益增大的情况下,欧冶炉更是具有较强的生命力。欧冶炉所形成的以动力煤为主(比例达60%)的燃料结构,和可适应各种含铁原料的熔融还原炼铁工艺,生产稳定,铁水成本都具有显著的竞争优势。不断加快绿色低碳关键工艺创新,努力探索低碳转型技术方案和路线图,欧冶炉发展前景可期。

 

 

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