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1、攀枝花钒钛磁铁矿竖炉气基还原工艺的基础研究可行性研究报告1. 课题背景攀枝花钒钛磁铁矿是一种铁、钒、钛等多种有价元素共生的复合矿，传统的“高炉转炉”流程仅回收了其中的铁，钒和钛资源没有有效回收利用，并且存在生产成本过高、环境污染严重等难以克服的问题。近年来，随着优质含铁原料供应日趋紧张、环保要求日益严格，炼铁工艺由单一高炉流程逐步转变为高炉流程、熔融还原以及直接还原流程共同发展的局面，一些新的工艺如转底炉直接还原技术发展迅速。2010年，攀枝花市明确提出了“打造中国钒钛之都，建设特色经济强市”的发展战略，力将攀枝花建设成为具有国际影响力的钒钛之都。如何充分利用资源优势，采用清洁、环保、高效的工
2、艺处理攀西钒钛磁铁矿显得尤为重要。2. 钒钛矿直接还原工艺现状2.1 直接还原工艺发展现状近年来，世界直接还原工艺仍然保持较快的发展势头，直接还原铁产量总体呈增加趋势。表1为2010年世界还原铁生产概况。在几种主要工艺中，气基直接还原法仍占主导地位，其产量约占世界总产量的74.3%。表1 世界直接还原生产概况工艺方法2010年产量Mt/Y占总产量%现有装置数运行装置数生产能力利用率%气基竖炉MIDREX42.0159.75757105.2HYL9.9014.1221495.5其 它0.340.5/15.4煤 基18.1225.7/70.0世界总计70.4100.00直接还原工艺中，气基法以天然
3、气为能源，由于还原气与原料接触条件、传热条件好，还原气循环利用，因而能耗远低于煤基法。气基法尾气可循环利用，而煤基法中煤直接燃烧或制气后燃烧，尾气量大，烟气硫化物脱除困难，环境污染较严重。隧道窑、回转窑、转底炉的单机生产能力不高，适合中小规模的生产，而气基竖炉可实现大型工业化生产。2.2 典型气基竖炉直接还原工艺（1）Midrex工艺Midrex工艺以天然气为原料气生产还原气，其发展局限于天然气资源丰富的地区。天然气经催化裂化制取还原气，裂化剂为炉顶煤气。混合气预热后送入转化炉中的镍质催化反应管组，转化成含CO和H2共95%左右，温度为850900的还原气。炉料经炉顶料仓、下料管进入还原炉。还
4、原气从竖炉的中部周边喷口进入，参加反应后从炉顶排出，炉顶气经冷却和洗涤后( H2+CO)含量约为70%。还原后的物料可用从底部气体分配器送入的冷却气冷却到100以下排出炉外，获得海绵铁产品。（2）HYL工艺 基于HYL-III法发展而来的天然气“零重整”的HYL-ZR，现已成为HYL/energiron工艺。HYL工艺使用球团矿和天然块矿为原料，以水蒸汽为裂化剂，制取以H2和CO为主的合成气；合成气脱水后与经过脱水和脱CO2的竖炉炉顶煤气混合送入还原系统。还原气从竖炉还原段底部进入炉内，铁矿石从竖炉炉顶加入。还原气和铁矿石在逆向运动中发生化学反应，生成海绵铁。海绵铁在冷却段中温度降低到50左右
5、排出竖炉，产品直接还原铁的金属化率可达92%95%。2.3煤气化工艺应用现状煤制气技术已是化工生产中的成熟技术。目前国外应用较多的煤制气技术有鲁奇碎煤加压气化技术、德士古水煤浆气化技术、循环流化床粉煤气化技术、循环流化床粉煤气化技术等。鲁奇碎煤加压气化技术生产能力大、煤种适应性广。但鲁奇气化炉生产煤制气时，气体成分中甲烷含量高（8%-10%），且含气生产流程长、投资大。德士古气化工艺对煤种的适应性较宽，对煤的活性没有严格的限制；单炉生产能力大；碳转化率高，达96%-98%，排水中不含焦油、酚等污染物；煤气质量好，有效气（CO+H2）高达80%左右，甲烷含量低，但对煤的灰熔点有一定的要求(一般要
6、低于1400)。2.4 钒钛磁铁矿直接还原法处理现状目前冶炼钒钛磁铁矿主要有高炉和非高炉两种流程。高炉流程资源利用率低，有用元素的回收率低（铁54%、钒47%、钛15%，其它元素未实现有效回收）。高炉大比例配入普通铁矿时，炉渣中TiO2含量仅有20%左右，从这种炉渣中回收钛的技术难度大且成本很高，因而大量钛资源丢失。另外，该流程以焦炭为主要能源，攀西地区焦煤资源与钒钛磁铁矿资源的储量不匹配，焦煤成本压力日益增大。在非高炉流程处理钒钛磁铁矿的工艺中，先提钒后提铁的“北方流程”由于原料处理量、三废产生量较大而未能得到大规模推广。南方流程以直接还原电炉熔分或还原为主要工艺环节，应用较多，其代表流程有
7、南非流程、新西兰流程、攀钢流程等。典型的南非流程使用TFe 53%57%，TiO2 12%15%，V2O5 1.4%1.7%，SiO2 1.5%2%的矿石，在回转窑预还原率50%70%条件下，获得了含V2O5 25%，SiO2 16%，Cr2O3 5%的钒渣。四川龙蟒集团以铁钒精矿为原料，以转底炉为还原反应器电炉为深度还原及熔化分离实现工业化生产，取得了良好的效果，铁、钒、钛的回收率分别达到95%、85%、90%，并通过省级鉴定。但是，上述流程都必须使用球团，由于造球加入粘结剂、还原剂，钛渣TiO2品位降低，增加了钛渣后续利用的难度。鉴于隧道窑产能过低，流化床技术发展尚未有明显突破，竖炉工艺成
8、为攀西地区直接还原处理钒钛磁铁矿的突破点。3. 研究条件和前期成果3.1 前期研究及现有研究条件本研究团队自上世纪60年代以来，一直参与攀枝花钒钛磁铁矿的科研攻关，并取得了多项重大成绩；所在单位是中国金属学会炼铁分会非高炉委员会的主任单位。多年来，在非高炉炼铁理论和方面积累了丰富的研究经验。代表成果有：1.攀枝花高炉冶炼钒钛磁铁矿科研试验，获1979年国家发明一等奖（集体）。2.钒钛磁铁矿高炉冶炼新技术，获1999年国家科技进步一等奖。申请者所在院校经过数十年的工作积累以及国家“211工程”及“985工程”的重点建设，已建成配套的冶金科研装备体系和先进的冶金综合检测体系。与本研究有关的设备或仪
9、器有：各种型号和尺寸的自动化电加热炉，真空感应炉，离心分离器，真空干燥器，数字光学显微镜，EPMA，差热热重分析仪、高温X射线分析仪，S710 气体分析仪。本单位测试中心可以提供相关ICP、SEM等分析手段和其它辅助试验研究设备。3.2 近年相关科研成果相关科研项目：1. 印尼钒钛磁铁矿混合配矿造块的试验研究，2010.07-09，企业联合项目；2. 沙钢高炉冶炼钒钛磁铁矿的可行性研究，2010.08-10，企业联合项目；发表的论文：1. 直接还原铁在我国钢铁工业中的作用及前景展望，攀枝花科技与信息，2010/042. 电炉炼钢原料及直接还原铁生产技术，中国冶金，2010/043. 中国发展非
10、高炉炼铁的现状及展望，中国冶金 2008/094. 铁矿石含碳球团中碳的气化反应速度对球团熔融的影响，钢铁研究学报 2007/125. 钒钛磁铁矿直接还原的工艺选择浅析，2010年非高炉炼铁学术年会暨钒钛磁铁矿综合利用技术研讨会，2010，265-2706. 印尼黑珍珠钒钛磁铁矿配矿造球的试验研究，2010年非高炉炼铁学术年会暨钒钛磁铁矿综合利用技术研讨会，2010，353-3574. 新工艺的提出与高炉流程类似，多数直接还原法处理钒钛磁铁矿亦可以产出含钛炉渣、含钒铁水，在一定程度上实现铁、钒、钛资源的利用。但是，由于工艺本身的限制，直接还原法也存在一些问题。若将气基竖炉用于处理钒钛磁铁矿，具
11、有能耗低、碳排放低、对环境的负面影响小，生产规模可以大型化等优势，且对后期处理钛的影响最小。另外，煤制气技术的成熟，也为竖炉发展提供了有利条件。在以往对钒钛磁铁矿研究中，很多科研工作者认为发现，钒钛磁铁矿球团在低温下粉化严重，中温还原时会出现灾难性膨胀，并将影响高炉炉况的正常运行。但本研究团队研究发现，钒钛磁铁矿球团在还原过程中会发生还原粉化、膨胀的现象，但粉化、膨胀的程度与还原气组成和温度有较密切的关系；而在碱金属存在条件下，会出现球团的“灾难性膨胀”。可见，对于竖炉而言，若采取有效措施，可以避免出现上述问题。综上，本研究团队综合自身的技术优势，提出了气基还原法处理攀枝花钒钛磁铁矿的工艺流程
12、路线。流程路线如图1所示。图1 气基还原法处理钒攀枝花钛磁铁矿新工艺的流程示意图本研究提出的新工艺符合促进社会经济增长方式转变、产业结构调整的国家重大战略需求和国际学科发展综合化的趋势，有利于促进我国钒钛磁铁矿资源利用科研和产业整体水平的提升、推动行业技术进步、变资源优势为技术和经济优势，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。气基竖炉直接还原新工艺能够摆脱焦煤资源依赖，减少能源消耗，为攀枝花钒钛磁铁矿资源的高效清洁化综合利用提供了新方法。通过本课题的研究，为气基竖炉工艺处理攀枝花钒钛磁铁矿选择煤制气工艺、制定直接还原工艺参数提供理论依据，明确工艺参数直接还原产品质量的影响规律，为气基竖炉直接还原
13、攀枝花钒钛磁铁矿电炉熔分富钒钛渣提取钒钛工艺的开发利用打下良好基础。5. 新工艺研究目标和内容5.1 研究目标近年来，相关配套技术的发展为气基还原法处理攀枝花钒钛磁铁矿新工艺的实施提供了可行性。但新工艺距离实施仍然有许多问题需要解明。根据前期研究结果，可将该工艺概括为三部分内容：（1）煤制气工艺及技术选择；（2）钒钛磁铁矿球团竖炉还原工艺制度的确定；（3）富钒、富钛渣中提取钒钛的工艺及技术研究。鉴于煤制气工艺和富钒、富钛渣提取钒钛工艺比较成熟，本课题的研究将重点围绕钒钛磁铁矿球团的气基还原工艺展开。通过实验室研究，掌握攀枝花钒钛磁铁矿氧化球团还原过程的基本规律，为攀枝花钒钛磁铁矿气基竖炉直接还
14、原工艺的开发提供依据和基础参数。5.2 研究内容本研究将以攀枝花钒钛磁铁矿为原料，开展球团制备、气基直接还原规律的研究。主要内容包括：(1) 攀枝花钒钛磁铁矿制备竖炉直接还原用生球的试验研究。参照国际直接还原球团标准，对攀西钒钛磁铁精矿进行粒度和化学成分分析，配加适量膨润土造球得到钒钛磁铁生球，检测生球的落下强度和抗压强度，并考察造球工艺参数如膨润土加入量、水分等对球团物理性能的影响；(2) 攀枝花钒钛磁铁矿制备竖炉直接还原用球团的焙烧试验研究。在氧化性气氛下对干燥后生球进行高温焙烧，得到钒钛磁铁矿氧化球团，考察不同的焙烧温度和焙烧时间对氧化性球团各项性能的影响，研究其焙烧固结机理从而得到最佳
15、焙烧条件；(3) 攀枝花钒钛磁铁矿球团的还原试验研究。在实验室条件下模拟气基竖炉对钒钛磁铁氧化球团进行直接还原，考察不同还原气氛（CO/H2比）和温度条件下钒钛磁铁矿氧化球团的还原行为及还原后球团的物理性质和还原膨胀率。从而为攀枝花钒钛磁铁矿氧化球团气基竖炉直接还原工艺提供相关参数；5.3 技术关键(1) 通过实验室造球试验，确定适合攀枝花钒钛磁铁矿的成球工艺参数：膨润土加入量、水分、成球时间等，得到满足要求的生球；(2) 通过实验室高温焙烧试验，确定适合攀枝花钒钛磁铁矿的焙烧工艺条件：适宜预热和干燥温度、时间，适宜焙烧温度和焙烧时间，得到最佳焙烧条件；(3) 在实验室条件下模拟气基竖炉对攀枝花钒钛磁铁氧化球团进行直接还原，比较不同还原气氛和温度条件下钒钛磁铁矿氧化球团的还原行为，还原后球团的物理性质和还原膨胀率，得到球团不粉化且还原良好的条件，为确定攀枝花钒钛磁铁矿氧化球团气基竖炉直接还原的工艺参数和流程提供理论指导。5.4 技术路线项目研究的技术路线如图2所示。图中深色背景为本研究内容，即竖炉还原工艺制度的确定。图2 气基还原法处理攀枝花钒钛磁铁矿新工艺的技术路线图根据前期研究结果，粉化、膨胀的程度与还原气组成和温度有较密切的关系。需要通过试验研究，
