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高炉煤气TGS680石灰窑生产碱性球团溶剂的实践与技术探讨.pdf

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1、46Aug.2023Vol.48 No.4REFRACTORIES&LIME高炉煤气 TGS680 石灰窑生产碱性球团溶剂的实践与技术探讨刘树钢1刘志浩1王刚2张德国2许贵宾3(1.唐山助纲炉料有限公司,唐山 063600;2.北京首钢国际工程技术有限公司,北京 100040;3.宣化正朴铁业有限公司,张家口 075100)摘要:为了提高社会效益和经济效益,对高炉炼铁炉料提出了更高的要求,因此高炉应用裹皮高镁碱性球团配加高碱度烧结矿成为高炉炉料结构的一次革命性进步。而碱性球团在生产过程中需配加优质石灰和轻烧白云石,为石灰行业提供了新的应用市场。本文根据高炉煤气 TGS680 石灰窑生产碱性球团

2、溶剂的实践,对碱性球团溶剂质量标准及其使用方式进行了探讨。关键词:TGS 石灰窑;高炉炉料;碱性球团;石灰;白云石中图分类号:TF046.6文献标识码:A文章编号:1673-7792(2023)04-0046-04Discussion on practice and technology of production of alkalinity pellet solvent from TGS680 lime kiln with blast furnace gasLiuShugang1LiuZhihao1WangGang2ZhangDeguo2XuGuibin3(1.TangshanZhugang

3、BurdenCo.,Ltd.,Tangshan063600,China;2.BeijingShougangInternationalEngineeringTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100040,China;3.XuanhuaZhengpuIronCo.,Ltd.,Zhangjiakou075100,China)Abstract:Inordertoimprovethesocialandeconomicbenefits,higherrequirementsareputforwardforblastfurnaceironmakingburdens.Therefore,the

4、applicationofhighmagnesiumalkalinitypelletandhighalkalisinteringoreinblastfurnacehasbecomearevolutionaryprogressinblastfurnaceburdenstructure.Alkalinitypelletsneedhighqualitylimeandlight-burneddolomiteintheproductionprocess,whichprovidesanewapplicationmarketforlimeindustry.Basedonthepracticeofproduc

5、ingalkalinitypelletsolventinTGS680limekilnwithblastfurnacegas,thequalitystandardofalkalinitypelletsolventanditsusagearediscussed.Key words:TGSlimekiln;Blastfurnaceburdens;Alkalinitypellet;Lime;Dolomite1国内高质量石灰的新市场随着近些年政策的持续引导,特别是国家产业结构调整指导目录2019年本,鼓励类第八项第14条明确写明:“熔剂性球团矿生产工艺技术,高炉高比例球团冶炼工艺技术”是淘汰过剩产能压力

6、较大的钢铁工业中少有的鼓励类产能增长项目,我国的球团产能出现了前所未有的发展势头,而引领这次风潮的就是碱性球团生产工艺技术,其生产过程中需配加优质石灰和轻烧白云石,这也为石灰行业提供了一个新的应用市场。1.1我国高炉炉料结构目前我国高炉炼铁常用且较好的炉料结构为:65%85%高碱度烧结矿030%酸性球团020%天然块矿,这种炉料结构使我国在现有的原料资源条件下,在40年内由一个钢铁匮乏的国家发展成了一个钢铁大国,钢铁装备和生产技术水平也达到或接近世界先进水平,这是三代中国钢铁人努力的结果。然而随着对炉料要求的不断提高,该投稿日期:2022-12-20作者简介:刘树钢(1962-),男,工程师4

7、7耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期炉料结构却遇到了难以逾越的挑战。首先,作为主要炉料部分的高碱度烧结矿的生产技术已相当成熟,而能耗和总污染物产生量却仍然很高,大幅度改善的潜力较小。其次,虽然生产1t球团矿的能耗和总污染物产生量是生产1t烧结矿的三分之一左右,但我国的铁精矿与国外相比普遍品位较低,SiO2较高,且在数年内难以出现根本性的改善,这严重影响了我国酸性球团的冶金性能,无法继续大幅度提高酸性球团的使用比例,因此我国只有大力发展碱性球团,全部取代酸性球团,部分甚至全部取代高碱度烧结矿,才是发展高炉高比例球团冶炼工艺技术的有效路线,也是我国高炉炼铁实现大幅度节能减排的方

8、向。我国高炉炼铁更好的炉料结构将是:065%高碱度烧结矿30%100%碱性球团010%天然块矿,并且尽量加大碱性球团比例,减小高碱度烧结矿比例。这一目标预期将在近年逐步实现,届时我国高炉炼铁的节能减排将有望全面达到世界领先水平,同时生产成本也将大幅降低,这是社会效益和经济效益同步提升的技术路线。1.2碱性球团(包括镁质球团)或称溶剂性球团目前世界范围内特别是我国大规模生产的球团是酸性球团,即自然碱度的球团,它是用球团铁精粉配加少量膨润土等粘结剂,再造球、焙烧而成。碱性球团是相对于酸性球团而言的,生产配料中还需要增加石灰、石灰石、轻烧白云石、白云石等,生产难度较大,焙烧参数也需要进行相应的变化。

9、按照目前已达到的技术发展水平,较高碱度的高镁碱性球团冶金性能很好,较低碱度(0.20.6)的高镁碱性球团其冶金性能也多数优于酸性球团,并且各钢铁企业的装备和原料资源条件、市场条件差异较大,所以不建议规定一个固定的碱度范围作为碱性球团的标准。例如当烧结粉价格很低、高碱度烧结矿生产能力很大时,可以采用较低的高镁碱性球团碱度(0.20.35),增加一些高碱度烧结矿的比例(60%75%),也可以达到较好的经济效益和节能环保效益,反之亦然。总之,全国的球团配比增加到40%50%后,相当一部分烧结粉会再加工为球团粉,碱性球团所产生的炼铁成本降低额有相当一部分被球团粉与烧结粉的差价所平衡,从而形成新的市场平

10、衡。预计在不久的将来,180m2甚至是90m2烧结机与大型碱性球团带式焙烧机的配合在800万t以下的中小规模钢铁公司内将是很好的炉料结构。1.2.1国外碱性球团生产工艺技术国外用低硅高品位精粉生产碱性球团已经有50年以上的历史了,100%使用高品位碱性球团高炉生产指标一直在国际上遥遥领先。目前国内的碱性球团生产技术是在国外的碱性球团生产工艺技术基础上发展而来的,包括提高球团MgO含量,降低或取代膨润土配比等成果,需要使用高品位低硅精粉。而使用低品位高硅精粉时,只能生产碱度较低的碱性球团,且生产难度较大,生产稳定性较低。生产碱度较高的碱性球团时遇到了四大难题:一是生球干燥过程中的爆裂问题;二是焙

11、烧过程的结瘤结圈问题;三是预热球强度较低问题;四是某些范围内成品球团的还原膨胀率和还原粉化率较高的问题。为解决生球干燥爆裂问题,增加了石灰石粉的配加比例,减少Ca(OH)2配加石灰也消化为Ca(OH)2的配加比例,又增加了球团的焙烧耗热量和膨润土配加量,进一步降低了预热球强度。对于其他问题,已经采取了很多措施,但结果尚不尽人意。首钢曹妃甸选用较高品位精粉和国外碱性球团生产类似的技术,进行碱性球团的生产和大比例配加碱性球团(56%)的高炉生产也取得了很好的指标和经济效益,因此首钢确定了高炉继续增加高镁碱性球团配加比例的战略方针。武钢、包钢、河(唐)钢等也进行了类似的工作,充分验证了高镁碱性球团的

12、价值。然而采用国外的碱性球团生产技术,使用高硅低品位精粉生产碱性球团时却遇到了很大困难。众所周知,球团生产的综合污染物排放量比同规模烧结生产减少2/3以上,其节能比例也是2/3左右,因此政府要求钢铁企业球团的比例至少要增加到30%以上。而我国的精粉多数是高硅低品位精粉,因此生产的酸性球团冶金性能较差,大比例配加低品位酸性球团会增加高炉的焦比和生产成本,这也是我国的球团比例一直偏低的根本原因。各大院校和钢铁企业对此进行了大量的试验研究工作,其结论是:用高硅低品位精粉生产的高镁碱性球团冶金性能很好,但生产难度过大,无法稳定生产,因此这一国际难题一直没有得到很好的解决。1.2.2裹皮高镁碱性球团宣化

13、正朴铁业有限责任公司在小高炉成功使用100%裹皮高镁碱性球团(又称熔剂性复合球团48Aug.2023Vol.48 No.4REFRACTORIES&LIME矿),实现了高炉顺行、节能减排和降低生产成本的目的。2013年5月的平均参数为:球的R2(CaO/SiO2)0.9,MgO3.5%,入炉品位55.09%,生产1418号优质球墨铸铁,风温1003,无喷吹,二级焦焦比574kg/t。创造了特种添加剂、裹皮和一系列优化生产工艺,研究了生产难度与冶金性能平衡控制理论与实践并申请了专利。裹皮高镁碱性球团与高碱度烧结矿的配合,使得高炉生产系统节能减排、提高产量并降低了生产成本。部分利用该技术的陕西汉中

14、钢铁公司,在14 m2矩形竖炉上也实现了R20.40.5和R20.80.91两种高镁碱性球团的稳定生产,并配加了球团竖炉除尘灰、高炉环境除尘灰、02mm烧结和球团返矿、150目占70%的烧结和球团返矿、炼钢污泥、炼钢钢渣等二次含铁物料(占总配料量的27%以上),在500m3高炉上采用高镁碱性球,球团配比高达30%40%和50%57%进行生产,既降低了碱性球生产成本,减少了烧结矿采购量,也取得了很好的经济效益。1.2.3裹皮高镁碱性球团生产工艺裹皮高镁碱性球团对精粉和膨润土的要求与酸性球团一样,在正常酸性球团生产线上增加如下设备即可达到高配置水平的裹皮高镁碱性球团生产线。(1)配料室增加12个配

15、料圆盘,用于配加混合溶剂;再增加12个配料螺旋秤,用于配加特种添加剂。(2)在造球盘后增加1套辊筛,用于筛除碎球和大球;再增加12个配料螺旋秤,用于配加裹皮混合溶剂;之后再增加1套滚筒造球机,以及相应的皮带机。(3)原来入炉前的辊筛减少一点,并取消筛大球的部分,仅筛除多余的裹皮混合溶剂和微量碎球即可。由此可见,裹皮高镁碱性球团生产技术是在继承了国内外生产高镁碱性球团技术和全部研究成果的基础上发展起来的专利技术。新设计建造一条每年400万t的裹皮高镁碱性球团生产线与同规模酸性球团生产线相比,增加投资不超过900万元,即可同时生产裹皮高镁碱性球团和酸性球团,也不会增加球团的生产成本。如果只按酸性球

16、团生产线设计建造,需要预留出将来改造成生产裹皮高镁碱性球团的空间场地,否则将来的改造成本很大,甚至无法进行改造。生产裹皮高镁碱性球团的工艺装备排序为:带式焙烧机工艺、竖炉工艺、链篦机回转窑工艺。2TGS680 石灰窑供应碱性球团用石灰的实践2.1首钢碱性球团用石灰的要求曹妃甸首钢京唐公司等单位生产碱性球团用的是Ca(OH)2 粉,需要先把石灰消化后再使用,生产石灰的装备是3座高炉煤气TGS680石灰窑。对消化前高钙石灰质量的标准为:CaO86%,MgO5%,灼减5%,SiO22%,S0.05%,活性度300mL(10min,4N)。2.2高炉煤气 TGS680 石灰窑运行状况2019年9月8日

17、-10月6日,3座高炉煤气TGS680石灰窑陆续投入运行,投产后遇到了如下问题:(1)原料振动筛振动大,筛分效率不高,筛分产能达不到设计要求,筛分后原料供应不足。(2)成品石灰运输的1200m管状皮带耐温较低(120),而石灰温度波动在100150之间,经常自动停止运行,被迫临时采用汽车运输。(3)外采高钙石灰石品种变化频繁,且经常遇到爆裂较严重的石灰石原料。(4)液压往复出灰机支架变形较大,甚至出现了焊口开裂问题。投产初期经常停产,产量和质量也不稳定,经20多天调试解决了原料振动筛和出灰机支架强度的问题,成品石灰温度也稳定在90130,30多天后基本达到成品石灰温度120的要求,生产达到了稳

18、定的状态。经过连续4个月的统计,3座炉月平均生产技术指标如下:CaO:88.49%89.96%,单日平均最高95.59%;MgO:3.22%4.12%,单日平均最高4.92%;灼减:5.48%8.23%,单日平均最低2.56%;SiO2:0.20%0.33%,单日平均最低0.01%;S:0.01%0.02%,单日平均最低0.005%;活性度(10min,4N):324.75358.25mL,单日平均最高392mL。由于产能过剩,工厂依然处于压产状态,3座炉轮流停产待仓。在日产量580t、600t、640t、680t、700t下都分别连续运行过,成品质量不受影响,相应吨灰高炉煤气消耗量分别为:1

19、449m3、49耐火与石灰2023 年 8 月第 48 卷 第 4 期1408m3、1366m3、1321m3、1280m3,实际湿煤气热值波动范围为:(712752)4.18kJ/m3。3碱性球团溶剂质量标准及其使用方式的探讨3.1碱性球团用石灰是否需要提前消化目前,首钢等碱性球团生产工艺是先将石灰消化,再配加Ca(OH)2粉生产碱性球团。这种工艺尽管提高了配料精度,但对碱性球团的生产造成浪费。(1)每吨石灰消化过程的成本30元。(2)生烧甩废8%左右,且这部分的再利用也增加了较大的成本。并且每吨碱性球团生产所允许加入的Ca(OH)2总量有上限,超过该上限后会使生球过于疏松,且硬度很低,干燥

20、过程中的爆裂问题也会加剧,所以还需要人为加入部分不烧的石灰石和白云石。而石灰中的小量生烧还是不够的,无需再增加一个消化过程,更没有必要除去生烧步骤。(3)石灰消化生产线占地较大,消化过程还产生蒸汽和粉尘污染,而这些散发的蒸汽会对周围炼钢灰等产品质量造成影响。(4)与烧结生产类似,碱性球团生产过程的过湿现象也会对生产造成较大危害,直接配加石灰粉等混合溶剂,利用石灰的消化热量提高生球温度,减轻过湿现象带来的危害,特别在北方的冬天,还具有减少冻块、节省烘干机能耗的优点。建议取消事先消化的工艺部分,把石灰与其他碱性物质直接混磨配入。碱性球团生产工艺中,配料后CaO就开始吸收精粉中的水分开始进入消化过程

21、,再到造球盘中,这期间有数小时的时间,足够完成消化过程。3.2碱性球团用石灰是否要求 MgO 5%碱性球团生产需要人为加入较多的MgO(轻烧白云石等),如果在石灰质量标准中加入MgO上限的要求,就排除了低硫低硅高钙镁原料的选项,也会增加不必要的原料采购成本,建议取消MgO上限的要求。3.3碱性球团用石灰是否要求灼减 5%碱性球团生产需要人为加入部分不烧的石灰石和白云石,如果在石灰质量标准中规定灼减上限过低,会增加不必要的石灰生产成本,更会增加灼减的波动范围,对于碱性球团生产反而不利,建议灼减标准定为7%9%,灼减过小也应受到考核,稳定更为重要。3.4碱性球团用石灰活性度标准从碱性球团生产过程中

22、CaO、MgO、Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaCO3、MgCO3的物理化学变化机理看,造球时所需要的Ca(OH)2Mg(OH)2总量与混合料的比例存在一个合理的范围,比例过小会增加膨润土的配加量,还不得不增加CaCO3MgCO3的比例以达到预设的球团碱度,从而导致焙烧热耗增加,也降低了预热球强度;比例过大则会加剧生球爆裂问题,对生产影响更大。另一个重要的问题是生球形成后至干燥结束这段时间,继续消化的CaO和MgO生成Ca(OH)2和Mg(OH)2的同时产生较大的体积膨胀,容易造成生球的开裂,所以必须把这段时间内的消化总量控制在生球所能承受的范围内,并且只要达到这个要求,就不需要把石灰活性

23、度标准提得过高。从裹皮高镁碱性球生产实践看,把一部分石灰的活性度标准定为300mL,而另一部分石灰的活性度标准定为180mL,这两种石灰的搭配对生产更为适合。3.5对混合溶剂标准的建议碱性球团的混合溶剂由轻烧白云石、白云石、石灰、石灰石混磨而成,或分别细磨再独立参加球团生产配料。其配比需随原料条件、球团碱度、焙烧工艺和高炉要求而变化。建议目前生产混合溶剂的标准(根据各地区资源条件可适当变化)如下。(1)去 灼 减 后 石 灰(轻 烧 白 云 石):低硅SiO22%、低硫S0.05%、高钙镁CaOMgO92%。(2)石灰石(白云石):SiO21.2%、S0.035%、CaOMgO53.5%。(3

24、)粒度200目大于90%。(4)部分高活性高钙石灰活性度(10min,4N)300mL。(5)高镁灰或轻烧白云石或部分低活性高钙石灰活性度180mL。(6)石灰或轻烧白云石的灼减与球团碱度关联密切,且稳定性更重要,不宜规定过严,多数情况下7%9%较为适宜。(7)上述指标的波动范围小、稳定性高。4结论综上所述,高炉应用裹皮高镁碱性球配加高碱度烧结矿是高炉炉料结构的一次革命性进步。新设计建造一条400万t/年的带式焙烧机裹皮高镁碱性球(下转第 52 页)52Aug.2023Vol.48 No.4REFRACTORIES&LIME生产线,比同规模酸性球生产线增加的投资不超过900万元,就可使企业既生

25、产酸性球,又生产裹皮高镁碱性球,完全符合钢铁冶炼技术发展方向和政府增加高炉球团比例的要求,大幅度减少了钢铁企业污染物排放总量和能耗,有利于取得环保A级企业资格,又可为钢铁企业创造更大的利润,也为优质石灰提供了一个新的应用市场。(中国石灰协会 推荐)杨杨编辑(1)石灰在钢铁流程中本质作用是脱硫和脱磷,我公司在原燃料层面的硫元素和磷元素平衡和控制能力仍有待于加强,造成石灰需求量不断增加9。(2)石灰窑入窑原料一般选用4060mm石灰石,入窑前需将40mm石灰石筛分成筛下物,而产出50%以上石灰石需要破碎成3mm以下,再进行深加工,这样造成资源错配10。(3)随着我国碳达峰碳中和的时间表已确定,石灰

26、窑在生产石灰过程中,燃烧和分解产生大量的CO2均处于直排状态,碳减排压力大11-12。(4)在环保政策持续加强的情况下,石灰窑工序建设了大量的除尘、脱硫、脱硝等环保设施,短期来看造成生产成本和维护成本增加,长期来看,当钢铁冶炼从长流程向短流程转型时会造成资源大量浪费。4结论(1)我公司石灰窑作为典型长流程钢铁企业重要的配套设施,在稳定生产、提高产品质量和保障环保效果等方面发挥了重要的作用,为炼铁炼钢主工序降低消耗创造了坚实的基础,并满足烧结和球团烟气超低排放标准要求。(2)在当前新发展理念下,结合本单位实际情况,仍需加强原燃料的硫元素和磷元素平衡分析,通过加强对原燃料管控,在物流顶层对各工序石

27、灰需求进行CaO的需求设计和优化,避免资源浪费和错配,从而减少固废的产生量。(3)积极引进先进的石灰窑绿色低碳技术及CO2利用技术,如可以焙烧1030mm石灰石的石灰窑,进一步降低石灰窑污染物的排放和能耗,在满足大气污染防治重点地区超低排放标准的基础上,进一步降低生产成本。(4)抓紧制订重点碳排放大户石灰窑的碳达峰碳中和的路线图和时间表,避免在钢铁冶炼流程从长流程向短流程转变时的被动。参考文献 1 吉立鹏,吴耀春,丁剑,等.600TDTGS窑的设计及生产实践J.耐火与石灰,2020,46(6):21-24.2 韩丽秀,杜亮,陈前冲,等.赤铁矿型烧结矿中不同形态铁酸钙形成规律研究J.烧结球团,2

28、021,46(5):1-5.3 路明,陈小燕,王兴锋,等.钙质添加剂对碱性球团性能的影响J.冶金能源,2022,41(2):19-23.4 王新东,李建新,胡启晨.基于高炉炉料结构优化的源头减排技术及应用J.钢铁,2019,54(12):104-110.5 徐诚澄,王安军,廖利辉,等.KR法铁水脱硫工艺及一键脱硫技术的应用J.武钢技术,2013,51(2):17-20.6 吉立鹏,曾立,刘建华,等.首钢京唐公司全三脱模式下少渣冶炼生产实践J.中国钢铁业,2013(增刊):251-253.7 马春生,林东.新型合成渣精炼技术的开发与应用J.炼钢,2010,26(5):8-10.8 杨全武.梅钢三烧结节能环保生产实践J.中国冶金,2020,30(5):76-82.9 吉立鹏.钢铁厂磷素流的路径分析及探讨J.中国冶金,2018,28(6):20-23.10吴东光.套筒导流石灰窑的设计及应用J.耐火与石灰,2020,45(58):34-36.11吉立鹏,吴礼云,陈俊锋,等.钢铁企业石灰窑二氧化碳减排研究与实践应用J.冶金能源,2021,40(4):1-3.12朱荣,王雪亮,刘润藻.二氧化碳在钢铁冶金流程应用研究现状与展望J.中国冶金,2017,27(4):1-4.王守权编辑(上接第 49 页)

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