紅土鎳礦還原隧道窯工藝技術(shù)應(yīng)用

陳正東

摘要：紅土鎳礦是不銹鋼制品的基礎(chǔ)原材料,生產(chǎn)還原鎳礦的一個重要過程是焙燒，焙燒是在熱工設(shè)備中進行的，這里熱工設(shè)備指的是隧道窯及其附屬設(shè)備。隧道窯作為直接還原紅土鎳礦的大型主體設(shè)備，其能耗成本占相關(guān)行業(yè)成本的大部分，對產(chǎn)品的成本具有決定性作用。正確地分析紅土鎳礦隧道窯的還原工藝、探討節(jié)能方法，對紅土鎳礦行業(yè)的節(jié)能增效具有重要意義。同時，對紅土鎳礦隧道窯的設(shè)計和各項指標的正確計算具有指導(dǎo)意義。

 關(guān)鍵詞：隧道窯  紅土鎳礦  還原分析  工藝路線  熱工  節(jié)能

1、紅土鎳礦隧道窯還原工藝

    紅土鎳礦先經(jīng)過干燥、混料、造球，然后進入隧道窯直接還原，由無磁性礦轉(zhuǎn)變成有磁性的鎳鐵合金，并在還原的過程中使Fe、Ni相聚富集；再經(jīng)過破碎磨選，使Fe、Ni與非磁性的雜質(zhì)基本分離，大幅度提高Fe、Ni的品位，可以作為冶煉不銹鋼的直接原料，也可以進一步利用濕法冶金法分離Fe、Ni。通過上述工藝處理，可以拋掉70～80%的MgAlSi氧化物，鐵磁性金屬的收得率均在80%以上。采用這種鎳鐵進行Fe、Ni的化學(xué)分離，每生產(chǎn)1噸鎳消耗18～20噸硫酸。這比直接熔煉或直接濕法冶煉節(jié)省很多成本。

    隧道窯還原紅土鎳礦是隧道窯生產(chǎn)煉鋼海綿鐵工藝的應(yīng)用拓展。整個鎳的冶煉工藝很復(fù)雜，隧道窯初步還原只是其中的一個拋雜環(huán)節(jié)，用以提高原料的品位。我公司以設(shè)計制造海綿鐵生產(chǎn)設(shè)備為主，并致力于拓展隧道窯的應(yīng)用領(lǐng)域，在紅土鎳礦的一次還原方面與一些院校和研究機構(gòu)合作。

2、紅土鎳礦還原分析：

紅土鎳礦和冶煉粉塵可以通過隧道窯作還原上磁，Cr₂O₃無法通過隧道窯還原。

下面分別對三種含鎳礦作還原磨選后的品位計算：

電爐粉塵

Fe(%)   Ni (%)  Cr₂O₃      MgOSiO₂Al₂O₃CaO(%) 

原礦成分  25.64    2.03    6.67      30.23

處理后    78.7     6.23     ----       ----

精煉爐粉塵

Fe(%)       Ni(%)     Cr₂O₃      MgOSiO₂Al₂O₃(%) 

原礦成分  30.4        2.64      7.5       25.74 

處理后    78.2        6.8       ---       ---

紅土鎳礦

          Fe(%)       Ni(%)  MgOSiO₂Al₂O₃(%)  濕料含水(%)

原礦成分  16.63       1.96      余量            45.6

處理后    71          8.4       余量

3、加工成本估算（按干燥原料計算）

對于一次還原來說，品位低于45%的鐵、鎳礦差別不大，加工成本相當。

處理紅土鎳礦（含水45.6%），需要經(jīng)過干燥→配料→造球→裝車→還原→卸料→破碎→球磨→磁選→重選→干燥11道工序,粉塵礦則不需干燥。如果處理規(guī)模達到干礦5萬噸/年以上，則每噸干礦預(yù)計消耗電力：110度，煤（熱值6000kcal/kg）0.55噸（濕紅土鎳礦需要干燥，需要另增加煤耗0.13噸）。

能耗成本為：0.75×120+800×0.55=530元/噸(紅土鎳礦能耗成本為：634元/噸)

4、物料平衡

濕礦通過干燥變成干料，設(shè)干料在加工過程中有效利用率為96%， 干礦還原磨選后，鐵和鎳的收得率約80%，含鎳礦干礦每噸加工后可生產(chǎn)出的鎳鐵粉末量為：

電爐粉塵     250kg

精煉爐粉塵   298kg

紅土鎳礦     178kg

加工成本加上原料成本就得到全部成本；

鎳鐵粉價格乘以產(chǎn)率，減去全部成本就是效益。

5、工藝路線

脫水需要較長的加熱時間，占用爐窯的長度空間，如果將干燥和預(yù)還原在同一個隧道窯中完成干燥和焙燒，爐窯將過度拉長，產(chǎn)量將降低。因此，將自由水的干燥單獨在返車線上利用煙氣余熱加熱完成，并將礦料和臺車預(yù)熱，然后進入隧道窯焙燒，即可增加產(chǎn)能又可節(jié)約能源。

工藝流程圖見下

5-1原料處理工序:

還原劑主要由小于3％的低硫無煙煤,經(jīng)烘干配入石灰石粉混勻進入料倉,再由皮帶運輸機送至裝罐平臺進行裝罐。主要設(shè)備有:滾筒篩、錘式破碎機、帶給料的中間料倉、皮帶運輸機等設(shè)備組成。

運入的低硫無煙煤經(jīng)粗篩后,大于3㎜的煤塊由錘式破碎機進行破碎后配入還原劑中。石灰石粉用量根據(jù)無煙煤的含硫量確定。

先將紅土鎳礦干燥脫水，再和煤粉混合均勻，壓制成塊狀，進入隧道窯進行加溫焙燒，使無磁性的鎳鐵氧化物轉(zhuǎn)變成有磁性的氧化物或金屬。在600度時出爐急冷，避免二次氧化。然后將磁化礦破碎磨選，得到較高品位的鎳鐵礦。

還原工序是生產(chǎn)含鎳礦鐵量高,含氧、碳、硫低且質(zhì)量穩(wěn)定,不“夾生”的鎳礦海綿鐵錠。還原是鎳礦海綿鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一。本工序是將鎳礦粉及還原劑分別由翻斗車運入本車間裝料平臺上,用液壓成型塊/或干燥裝入耐火罐內(nèi),或由機械通過模具裝入耐火罐。鎳礦粉裝成中間圓柱體,中間鎳礦和外環(huán)布滿還原劑,耐火罐按固定位置,布滿隧道窯窯車的臺面上。裝滿罐的窯車經(jīng)擺渡車到隧道窯的中心線處,由頂車機將窯車頂入隧道窯。隧道窯由預(yù)熱帶、還原帶和冷卻帶組成,還原溫度為1030－1220℃之間,隧道窯的燃料使用熱煤氣。隧道窯設(shè)有較長的預(yù)熱段,充分利用還原段的余熱,排煙溫度僅為200－300℃,熱能利用好,燃耗較低。

5-2還原過程

本工序設(shè)置的目的是使還原劑在還原段高溫條件下產(chǎn)生CO還原氣氛,將鎳礦還原成鎳礦鐵，還原成鎳礦海綿鐵，同時形成鎳礦海綿鐵錠。還原劑中的無煙煤含少量硫，還原過程中，不可避免地與Fe反應(yīng)生成FeS，這是生產(chǎn)中所不希望的，為此在還原劑中需加入適量的脫硫劑（CaO）,使無煙煤中的硫與CaO的反應(yīng)生成CaS，以盡量少地生成FeS。在隧道窯冷卻550－600℃的溫區(qū)為滲碳區(qū)，該區(qū)要控制好工藝條件，以降低鎳礦海綿鐵錠的碳含量。在300－400℃的溫區(qū)又有二氧化反應(yīng)產(chǎn)生，在此期間應(yīng)控制過剩氧的存在。

5-3破碎球磨磁選

還原鎳礦塊用大螺旋機送入顎破機，破碎成小塊，溜入復(fù)合破碎機，破碎成細粒，再通過皮帶運輸機送入球磨機。磨出的礦料經(jīng)螺旋分級機處理，大顆粒礦粉返回球磨在磨細，合格粒徑礦粉進入磁選，磁選后的濕礦粉堆到精礦堆場，瀝干部分水分，等待出廠。

由于我公司不掌握磨選及后續(xù)冶煉工藝，無法計算后續(xù)加工設(shè)備投資規(guī)模，需要投資方與科研院所聯(lián)系。

5-4環(huán)境保護

廢渣可用與填坑筑路，也可用于做建筑材料。

廢氣結(jié)收塵、洗滌后成無害氣體排放。

無工業(yè)廢水。（循環(huán)使用水）

5-5隧道窯環(huán)保問題

隧道窯是環(huán)保型設(shè)備，煤氣被充分燃燒，不會產(chǎn)生黑煙和CO；所有物料裝在SiC容器里還原，不會產(chǎn)生粉塵，物料也不含有害揮發(fā)物，所以不會產(chǎn)生白煙；燃料為發(fā)生爐煤氣，已經(jīng)經(jīng)過除塵，不會產(chǎn)生粉塵。

產(chǎn)生的有害氣體為SO₂，來源于煤氣發(fā)生爐所使用的煤，但經(jīng)過隧道窯的燃燒稀釋，煙氣中排放濃度≤650mg/Nm³，低于國家二級排放標準。

6、隧道窯區(qū)段的劃分

焙燒紅土鎳礦隧道窯是長期連續(xù)生產(chǎn)的熱工設(shè)備，其用途是將裝在反應(yīng)罐中的紅土鎳礦在1130℃～1220℃下焙燒還原，從而得到直接還原金屬海綿鐵。紅土鎳礦進入隧道窯后要經(jīng)受加熱、保溫還原、冷卻三個階段，隧道窯設(shè)計應(yīng)遵循還原過程中爐料的物理化學(xué)變化的原則，故將隧道窯分為三個帶分別實現(xiàn)加熱、保溫還原、冷卻三個功能：

——加熱段的主要作用是：利用保溫還原帶的熱煙氣對爐料進行加熱，使其完成爐料中水分的蒸發(fā)和水化物的分解，促使還原劑中揮發(fā)份的逸出和脫硫劑碳酸鈣（即石灰石）的分解，同時產(chǎn)生的廢氣及煙氣由若干對支煙道匯總后經(jīng)排煙風(fēng)機排出廠房外。

——保溫還原段的主要作用是：隨著爐料被逐步加熱到高溫，鐵的氧化物被CO還原，直至金屬鐵全部被還原出來，需要較穩(wěn)定的溫度曲線和還原時間。該段設(shè)計若干對煤氣燒咀布置在窯的兩側(cè)，通過調(diào)節(jié)煤氣和空氣的比例達到最佳燃燒狀態(tài)和較理想的溫度曲線，使產(chǎn)品在較長的高火保溫區(qū)得到充分的還原效果。

——冷卻段充分利用水冷套和金屬換熱器對產(chǎn)品進行間接冷卻，窯尾采用風(fēng)機對制品進行直接冷卻，盡可能避免產(chǎn)品二次氧化。間接冷卻抽出的熱空氣可送助燃或干燥用。

6-1、焙燒紅土鎳礦隧道窯設(shè)計指導(dǎo)思想和主要技術(shù)特點

1)天然氣或發(fā)生爐煤氣和助燃空氣的預(yù)熱

天然氣（熱值8600Kcal/Nm^3，）或發(fā)生爐煤氣（熱值1250～1300Kcal/Nm³），常溫燃燒時能達到工藝要求的1130℃～1220℃溫度；將煤氣和助燃空氣預(yù)熱能達到節(jié)能要求，將助燃空氣預(yù)熱至300℃，能節(jié)約能源20～30%。

2)壓力平衡系統(tǒng)

壓力平衡系統(tǒng)是為了保持窯車底部的低溫環(huán)境和減少爐氣漏損，而設(shè)置的車底鼓風(fēng)裝置。傳統(tǒng)的壓力平衡系統(tǒng)采用集中供風(fēng)方式，只能在兩個點做到爐膛和車底壓力平衡。而新的分散布風(fēng)方式可以保證在整個長度上維持壓力平衡。

                  3)  為了保證爐子的安全生產(chǎn)，我們提供的焙燒紅土鎳礦隧道窯無論在爐子結(jié)構(gòu)上，各種輔助設(shè)施的布局上，生產(chǎn)操作及設(shè)備的維護上，充分考慮了人身、設(shè)備與生產(chǎn)的安全。

4)采用實用、可靠的電控儀控的裝備水平，以保證爐子的安全正常生產(chǎn)。

                  5）設(shè)計的過程一直貫穿節(jié)能的意圖，本焙燒紅土鎳礦隧道窯的最大特點就是處處體現(xiàn)節(jié)能降耗。為了達到節(jié)能的目標，從窯車充分預(yù)熱、減少爐氣損漏、保溫、精確進行壓力平衡、減少臺車蓄熱、臺車蓄熱回收等多方面采取了措施。使焙燒紅土鎳礦隧道窯的能耗指標在同類爐型中達到很高的先進水平。

 綜上所述：該工藝成熟可靠、設(shè)備操作簡單、投資省、效益高。

 各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，中基窯爐作為行業(yè)的一員，愿為我國的直接還原紅土鎳礦事業(yè)貢獻自己的菲薄之力，歡迎大家到中基窯爐公司總部和還原鐵基地考察訪問。

謝謝大家！