紅土鎳礦還原隧道窯工藝技術(shù)應用

陳正東

摘要：紅土鎳礦是不銹鋼制品的基礎原材料,生產(chǎn)還原鎳礦的一個(gè)重要過(guò)程是焙燒，焙燒是在熱工設備中進(jìn)行的，這里熱工設備指的是隧道窯及其附屬設備。隧道窯作為直接還原紅土鎳礦的大型主體設備，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、探討節能方法，對紅土鎳礦行業(yè)的節能增效具有重要意義。同時(shí)，對紅土鎳礦隧道窯的設計和各項指標的正確計算具有指導意義。

 關(guān)鍵詞：隧道窯  紅土鎳礦  還原分析  工藝路線(xiàn)  熱工  節能

1、紅土鎳礦隧道窯還原工藝

    紅土鎳礦先經(jīng)過(guò)干燥、混料、造球，然后進(jìn)入隧道窯直接還原，由無(wú)磁性礦轉變成有磁性的鎳鐵合金，并在還原的過(guò)程中使Fe、Ni相聚富集；再經(jīng)過(guò)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(jìn)一步利用濕法冶金法分離Fe、Ni。通過(guò)上述工藝處理，可以?huà)伒?0～80%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(jìn)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用拓展。整個(gè)鎳的冶煉工藝很復雜，隧道窯初步還原只是其中的一個(gè)拋雜環(huán)節，用以提高原料的品位。我公司以設計制造海綿鐵生產(chǎn)設備為主，并致力于拓展隧道窯的應用領(lǐng)域，在紅土鎳礦的一次還原方面與一些院校和研究機構合作。

2、紅土鎳礦還原分析：

紅土鎳礦和冶煉粉塵可以通過(guò)隧道窯作還原上磁，Cr₂O₃無(wú)法通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)干燥→配料→造球→裝車(chē)→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。如果處理規模達到干礦5萬(wàn)噸/年以上，則每噸干礦預計消耗電力：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(guò)干燥變成干料，設干料在加工過(guò)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(jià)格乘以產(chǎn)率，減去全部成本就是效益。

5、工藝路線(xiàn)

脫水需要較長(cháng)的加熱時(shí)間，占用爐窯的長(cháng)度空間，如果將干燥和預還原在同一個(gè)隧道窯中完成干燥和焙燒，爐窯將過(guò)度拉長(cháng)，產(chǎn)量將降低。因此，將自由水的干燥單獨在返車(chē)線(xiàn)上利用煙氣余熱加熱完成，并將礦料和臺車(chē)預熱，然后進(jìn)入隧道窯焙燒，即可增加產(chǎn)能又可節約能源。

工藝流程圖見(jiàn)下

5-1原料處理工序:

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

運入的低硫無(wú)煙煤經(jīng)粗篩后,大于3㎜的煤塊由錘式破碎機進(jìn)行破碎后配入還原劑中。石灰石粉用量根據無(wú)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(jìn)入隧道窯進(jìn)行加溫焙燒，使無(wú)磁性的鎳鐵氧化物轉變成有磁性的氧化物或金屬。在600度時(shí)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(chē)運入本車(chē)間裝料平臺上,用液壓成型塊/或干燥裝入耐火罐內,或由機械通過(guò)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(mǎn)還原劑,耐火罐按固定位置,布滿(mǎn)隧道窯窯車(chē)的臺面上。裝滿(mǎn)罐的窯車(chē)經(jīng)擺渡車(chē)到隧道窯的中心線(xiàn)處,由頂車(chē)機將窯車(chē)頂入隧道窯。隧道窯由預熱帶、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。隧道窯設有較長(cháng)的預熱段,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(guò)程

本工序設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(shí)形成鎳礦海綿鐵錠。還原劑中的無(wú)煙煤含少量硫，還原過(guò)程中，不可避免地與Fe反應生成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(wú)煙煤中的硫與CaO的反應生成CaS，以盡量少地生成FeS。在隧道窯冷卻550－600℃的溫區為滲碳區，該區要控制好工藝條件，以降低鎳礦海綿鐵錠的碳含量。在300－400℃的溫區又有二氧化反應產(chǎn)生，在此期間應控制過(guò)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，溜入復合破碎機，破碎成細粒，再通過(guò)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(jìn)入磁選，磁選后的濕礦粉堆到精礦堆場(chǎng)，瀝干部分水分，等待出廠(chǎng)。

由于我公司不掌握磨選及后續冶煉工藝，無(wú)法計算后續加工設備投資規模，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。

廢氣結收塵、洗滌后成無(wú)害氣體排放。

無(wú)工業(yè)廢水。（循環(huán)使用水）

5-5隧道窯環(huán)保問(wèn)題

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

產(chǎn)生的有害氣體為SO₂，來(lái)源于煤氣發(fā)生爐所使用的煤，但經(jīng)過(guò)隧道窯的燃燒稀釋?zhuān)瑹煔庵信欧艥舛取?50mg/Nm³，低于國家二級排放標準。

6、隧道窯區段的劃分

焙燒紅土鎳礦隧道窯是長(cháng)期連續生產(chǎn)的熱工設備，其用途是將裝在反應罐中的紅土鎳礦在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(jìn)入隧道窯后要經(jīng)受加熱、保溫還原、冷卻三個(gè)階段，隧道窯設計應遵循還原過(guò)程中爐料的物理化學(xué)變化的原則，故將隧道窯分為三個(gè)帶分別實(shí)現加熱、保溫還原、冷卻三個(gè)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(jìn)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(shí)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(chǎng)房外。

——保溫還原段的主要作用是：隨著(zhù)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(lái)，需要較穩定的溫度曲線(xiàn)和還原時(shí)間。該段設計若干對煤氣燒咀布置在窯的兩側，通過(guò)調節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(xiàn)，使產(chǎn)品在較長(cháng)的高火保溫區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(jìn)行間接冷卻，窯尾采用風(fēng)機對制品進(jìn)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計指導思想和主要技術(shù)特點(diǎn)

1)天然氣或發(fā)生爐煤氣和助燃空氣的預熱

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(shí)能達到工藝要求的1130℃～1220℃溫度；將煤氣和助燃空氣預熱能達到節能要求，將助燃空氣預熱至300℃，能節約能源20～30%。

2)壓力平衡系統

壓力平衡系統是為了保持窯車(chē)底部的低溫環(huán)境和減少爐氣漏損，而設置的車(chē)底鼓風(fēng)裝置。傳統的壓力平衡系統采用集中供風(fēng)方式，只能在兩個(gè)點(diǎn)做到爐膛和車(chē)底壓力平衡。而新的分散布風(fēng)方式可以保證在整個(gè)長(cháng)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(wú)論在爐子結構上，各種輔助設施的布局上，生產(chǎn)操作及設備的維護上，充分考慮了人身、設備與生產(chǎn)的安全。

4)采用實(shí)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）設計的過(guò)程一直貫穿節能的意圖，本焙燒紅土鎳礦隧道窯的最大特點(diǎn)就是處處體現節能降耗。為了達到節能的目標，從窯車(chē)充分預熱、減少爐氣損漏、保溫、精確進(jìn)行壓力平衡、減少臺車(chē)蓄熱、臺車(chē)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(lèi)爐型中達到很高的先進(jìn)水平。

 綜上所述：該工藝成熟可靠、設備操作簡(jiǎn)單、投資省、效益高。

 各位領(lǐng)導、各位專(zhuān)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(fǎng)問(wèn)。

謝謝大家！