回转炉炼铁：利用非焦煤直接还原铁矿的高效工艺

回转炉炼铁概述

回转炉（RHF）炼铁是利用非焦煤还原铁矿的直接还原工艺。RHF是工艺反应器，由平坦耐火炉底在静止圆形隧道窑内旋转组成。RHF内利用煤作还原剂直接还原铁矿或含铁废料。

RHF非新技术。成功用于热处理、石油焦煅烧、废物处理、有色金属高温回收等工业应用。

RHF炼铁历史回溯至1960年代中期Midrex开发“Heat Fast”工艺。此后开发多种基于RHF炼铁工艺，包括商业化运行的“Fastmet/Fastmelt”工艺和ITmk3工艺（详见链接文章）。其他RHF工艺有“Redsmelt”、“Inmetco”、“Iron Dynamics”、“DRyIron”、“Comet”、“SidComet”和Hi-QIP工艺。

主要RHF炼铁工艺介绍

Redsmelt工艺

Redsmelt工艺技术开发旨在满足对传统高炉路线低成本环保炼铁替代方案的增长需求。该工艺厂可设计年产30万-100万吨热金属。可处理广泛铁矿粉和钢厂废料。

Redsmelt工艺基于RHF，还原由铁矿粉、还原剂粉和粘结剂制成的湿球团，生产热冶金化直接还原铁(DRI)装入电弧炉(SAF)。工艺高温常压运行。

Redsmelt炉铁氧化物原料为细铁矿、还原剂和粘结剂制成的湿球团。粘结剂赋予湿球团足够机械强度承受下游搬运冲击。球团经辊式筛筛分至8-16mm，上下限物料循环回球团盘。球团分布在RHF上层厚达30kg/m²。在炉内12-18分钟行程中，球团加热至1370℃。干燥、煤脱挥发分和铁氧化物还原在加热过程中发生。极高温下铁氧化物与碳紧密接触导致极快反应速率。为防止冶金化铁再氧化，炉末端区在亚化学计量气氛运行。热DRI产品送SAF冶炼成热金属和渣。

工艺流程图示意见图1。

图1 Redsmelt工艺流程图

Inmetco工艺

1978年加拿大国际镍业公司(INCO)开发。因用于冶金废料回收命名“Inmetco”(Inco+met)。也可还原铁矿粉和铁矿粉冶金废料组合。

Inmetco工艺基于RHF，还原由铁矿粉、废含铁材料和粉煤制成的砖块，生产热冶金化DRI可直接装入感应炉或电弧炉。工艺高温微负压运行。

Inmetco炉铁原料为250μm以下细铁矿和挥发分<25%的细煤/焦炭/半焦制成的盘式球团。通过摆动带式输送机以约3层球团深度分布在RHF上。炉底连续旋转，周边燃烧器将球团在10-15分钟加热至1250-1300℃。燃烧器分组布置形成加热区和还原区。加热区约占炉底面积1/3，还原区约2/3。燃烧器位于内外圆周。热DRI产品可收集在N₂吹扫转运罐或直接送电炉熔化。RHF微负压运行，水封槽密封。

工艺流程图示意见图2。

图2 Inmetco工艺流程图

Iron Dynamics工艺

Iron Dynamics炼铁(IDI)工艺基于RHF，还原含碳铁氧化物料为金属铁固体装入SAF完成还原、熔化和脱硫。熔化DRI还可实现液态渣铁相分离。

IDI工艺含五工序区：(i) 原料接收；(ii) 矿石和还原剂(煤)磨制准备；(iii) 造球；(iv) 回转炉还原；(v) SAF冶炼。矿石接收后用RHF尾气干燥至水分<0.5%。磁选和筛分选矿减少脉石。磨至50%通过200目。煤输送至煤/熔剂石粉碎机粒度至80%通过200目。粉矿煤与粘结剂水在混合机强力混合送盘式造球机。湿球团干燥至水分<1%并预热至150℃于环形格栅干燥机。球团装料机接收干燥绿球以25-40mm厚层铺炉底。天然气燃烧RHF有八反应区。温度、气流、气体成分受控以在各区提供适当条件适当加热、还原、保护球团。炉出口DRI冶金化度约85%。添加剂设施向DRI转运包引入熔剂、焦炭、石英或其他材料控制SAF渣化学。尾气系统除去烟气热量、粉尘、二氧化硫、氮氧化物。余燃器在水冷烟道燃烧剩余CO。气体初冷器冷却并除去NOx。废气预热燃烧空气供矿石、煤、球团干燥机热量。球团干燥机后气体过滤除SOx后排烟囱。DRI和添加剂重力落入SAF渣层冶炼。平均冶金化度约95.8%。渣出炉入渣罐送渣处理设施。

工艺流程图示意见图3。

图3 Iron Dynamics工艺流程图

DRyIron工艺

DRyIron工艺由Maumee Research and Engineering Inc.(MR&E)开发。基于RHF还原由废铁氧化物材料和粉碎非冶金煤制成的湿球团/砖块，生产热冶金化DRI(>90%)。工艺高温常压运行，驻留时间短，也可回收废含铁材料。

DRyIron炉铁氧化物原料为细铁氧化物和煤/焦炭制成的湿球团/砖块，消除球团预干燥。理想高温(~1300℃)理论条件下，铁氧化物与固定碳反应生成砖块中金属铁并释放CO₂。固定碳与铁氧化物理论比1.5:1。

DRyIron工艺制定碳氧比6:1生产金属铁，产生CO和CO₂并留约4%残余碳。关键是控制CO/CO₂比最小化再氧化、碳消耗和炉驻留时间。球团在炉内行程加热至1300℃。干燥、煤脱挥发分、铁氧化物还原在加热过程发生。极高温下铁氧化物与碳紧密接触导致极快反应速率。热DRI产品可通过多种选项供炼钢车间。

工艺流程图示意见图4。

图4 DRyIron工艺流程图

Comet和SidComet工艺

Comet工艺由比利时冶金研究中心(CRM)开发，是生产海绵铁的煤基系统，在回转炉用铁矿粉和石灰石。Comet直接还原工艺从铁矿和煤粉生产低脉石低硫DRI。大量实验室测试证明工艺可行性和灵活性，可用任何煤或固体还原剂(包括褐煤和焦粉)，也极适合回收冶金废料替代或混合铁矿。实验室100kg/h装置1996年11月投运。基于成功结果，比利时根特Sidmar建1.5t/h中试厂。冶金化结果确认实验室结果。生产率、成本、价格、能耗、环境影响已确立。

Comet工艺中铁矿和煤粉不混合造球，而是以交替层形式装炉底。通常加石灰石控制煤硫。还原区温度约1300℃。天然气、焦炉气、粉煤等燃烧供热。反应释放挥发分和CO后燃烧也提供部分热量。DRI屬因高温烧结。但多余炭粉保持粉状可用筛子易分离。炉外废气进一步后燃烧热量用于加热工艺空气和装料。因炉底负荷较高，此工艺处理时间通常远大于复合球团工艺。

工艺流程图示意见图5。

图5 Comet工艺流程图

SidComet工艺与Comet工艺相似，唯一区别铁矿和煤粉作为混合物加料。驻留时间与Comet工艺相似。因较高驻留时间，此工艺生产率通常低于球团基础工艺。

Hi-QIP工艺

基于概念：(i) 工艺不需天然气或焦煤作还原剂；(ii) 工艺铁产品无脉石成分；(iii) 设备尽可能简单；(iv) 能量回收系统最小化，及实验结果，开发新炼铁工艺称Hi-QIP(高品质铁球)工艺。新煤基工艺生产高品质铁。类似ITmk3工艺因能在回转炉熔化还原铁。工艺允许原料混合波动。开发目前达中试阶段。

Hi-QIP工艺对比类似工艺有两显著特点：(i) 回转炉底使用碳质材料层；(ii) 炉内熔化还原铁。Hi-QIP主要反应器为回转炉。用粗细粒铁矿、煤、石灰石作原料。不考虑块状材料。碳质材料如煤铺炉底，压辊在层中形成小杯状凹槽。铁矿作铁源、煤作还原剂、石灰石作熔剂。这些材料混合装在碳质材料床上并经燃烧器加热。此工艺中铁矿还原熔化，原料层混合煤气化作还原剂。石灰石熔化与混合物脉石和灰分形成渣。熔融铁和渣流入凹槽，经冷却器凝固成球粒。铁球粒和渣球粒经螺旋装置排出炉外。

RHF炼铁主要通用特征

RHF炼铁通用工艺流程见图6。

图6 RHF炼铁通用工艺流程

RHF中铁矿/煤团块还原是无焦、环保炼铁工艺。但因料层浅、反应温度低、球团碳质添加剂不足，工艺生产率和能效较低。铁矿/煤团块中铁氧化物还原动力学高度温度敏感，涉及强吸热反应。另一方面高温促进新生DRI被CO₂和/或O₂再氧化。当前RHF实践中团块床深度浅，仅2-3层球团高，固体还原剂挥发分低。故保护球团防再氧化的气流弱且不稳定。维持CO/CO₂比>2导致燃料效率极差，低工艺温度限制工艺生产率。

RHF技术成功用于含铁材料直接还原取决于工艺技术通过合理工程应用的方式。若RHF正确集成全局工艺且正确应用直接还原技术，结果是生产优质替代铁的节能、环保、经济系统。

利用RHF的煤基直接还原概念简单。但商业实施概念不易实现。

图7展示RHF炼铁工艺概念及单层装料与多层装料对比。

图7 RHF工艺概念及单层与多层装料对比

RHF炼铁主要反应：

FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂

C + O₂ = CO₂

C + CO₂ = 2CO

RHF内有三至四主要区域：(i) 预热区；(ii) 主还原区；(iii) 终还原区；(iv) 冷却区。炉内气氛受控满足工艺热力学和冶金要求，通过适当控制燃料氧比。预热区需较高氧势以提取燃料储存化学能（此区燃烧）。去除夹带水分和挥发分也在此区。两还原区氧势低得多防止还原球团再氧化。还原区铁氧化物和其他杂质金属氧化物还原为金属形式。冷却区DRI冷却至300℃以下后排出。

除燃烧燃料外，RHF内有其他热源。还原生成CO气体后燃烧有助于降低工艺能耗。有时二次空气喷射促进废气后燃烧。挥发分燃烧也释放热量。球团/砖块中碳燃烧产生少量热量。

非焦煤有时低品质碳质材料含废塑料可用作RHF还原剂。利用这些低品质碳质还原剂使RHF工艺通过还原铁氧化物生产金属铁。但碳质还原剂挥发分百分比对RHF用途极关键。气体快速析出增加内压导致球团/砖块分解。保持产品DRI高块率可避免此问题。

炉底转速需外部控制。速度取决于原料反应性。常规做法确保驻留时间足够长使球团/砖块达高冶金化度。

RHF通常微负压运行以避免炉气泄漏外环境，用水封槽密封。

通常有利热装热DRI入冶炼炉利用显热。延迟冶炼时，通常将DRI转热压块铁(HBI)以减少可用表面积最小化再氧化程度。

热传递至下层是RHF严重缺点之一，特别是用多层球团床代替单层提高生产率时。复合球团/砖块收缩预期促进热量从顶层传递到底层。收缩因化学反应和铁氧化物烧结综合效应发生。这增强下层反应动力学。取决于温度和时间。收缩现象研究显示木炭复合球团/砖块收缩行为优于沥青煤半焦和石墨复合球团/砖块。

RHF废气通常利用额外空气完全后燃烧。所得能量用于：(i) 预热燃烧空气；(ii) 干燥原料；(iii) 废热锅炉产蒸汽。

废气粉尘收集于袋式除尘器。因回收废料，粉尘含高百分比挥发金属如锌、镉。