大型隧道窑直接还原工艺工业规模化实践
汪寿平 王立新 汪翔宇
（唐山奥特斯科技有限公司，唐山 063020）
摘要：为提高直接还原铁煤基隧道窑还原工艺的工业规模化程度，达到单线产能10～20万吨DRI的目的，采用大型煤气隧道窑作为主体设备，与自动装卸设备等工艺设备组成机械化自动化DRI成套生产线，已经成功投产，一举改变了传统煤基隧道窑在直接还原铁领域产能低、劳动强度大、环境污染大的落后地位，对今后进一步提高直接还原铁煤基隧道窑还原工艺的工业规模化进程，达到单线产能50～100万吨DRI的目标奠定了发展基础。
关键词：煤基还原法 大型隧道窑 规模工业化
一．直接还原铁煤基隧道窑还原工艺的由来
1908年，瑞典赫格纳斯公司（Hoganas）E.Sieurin发明了使用外热反应罐和隧道窑生产直接还原铁（又称海绵铁）的工艺。该工艺首先应用于粉末冶金行业的铁粉还原和制造手表的表壳钢。一百年来，该工艺在粉末冶金还原铁粉领域一直占主导地位。近年来，我国将该工艺应用于炼钢用直接还原铁（DRI）领域，但囿于市场、技术和观念的局限性，到2007年底，我国已投产的单座隧道窑的直接还原铁（海绵铁）年产量最大只能达到2万多吨，人们普遍认为存在工业化水平低、劳动强度大、环境污染大、生产成本高等弊端， 这直接制约了直接还原铁隧道窑还原法的规模化发展。
二．直接还原铁煤基隧道窑还原法的发展
为符合国家产业结构政策指导意见和适应直接还原铁（DRI）行业大规模工业化生产的需求，唐山奥特斯科技有限公司及时推出了大型隧道窑直接还原铁生产工艺，该工艺整条生产线自动化程度高，所使用的大型煤气隧道窑窑长达260米，内宽达2.68米,单窑生产能力为年产5万～7万吨直接还原铁，目前已在国内某厂年产10万吨DRI项目中投产运行。大型隧道窑的面世，掀开了煤基隧道窑还原法大规模工业化生产直接还原铁的序幕，也实现了煤基隧道窑还原法从传统工艺走向现代工艺的四大转变：即从烧煤到烧煤气的燃料结构的转变、从环境污染大到环境友好的转变、从劳动强度大到自动化水平高的转变、从高成本高能耗向低成本低能耗的转变。可以说，大型隧道窑直接还原工艺已成为我国直接还原铁工艺领域的一支生力军。
三．直接还原铁煤基隧道窑还原工艺工业规模化——
直接还原铁煤基隧道窑还原工艺生产线
各主要工段工艺描述
3.1 原料制备工段
3.1.1.铁矿粉：
将初水分8-10%左右的铁矿粉加入烘干机中进行干燥，烘干机的热源来自隧道窑的余热；烘干后矿粉的终水分控制在2%以下，再经斗式提升机入料仓备用。
3.1.2.还原剂：按工艺要求称量配料、破碎，粒度为3mm以下, 进料仓备用。
3.1.3.脱硫剂：脱硫剂采用石灰，按工艺要求称量配料、破碎, 粒度为3mm以下, 进料仓备用。
将还原剂和脱硫剂分别称量后加入混料料仓，经过搅拌机混合、搅拌后进高位料仓备用。
3.2 自动装卸料工段
3.2.1. 采用自动装料设备分别将矿粉和还原剂装入窑车上的SiC罐中并在罐顶部加盖30-40mm的封口料（煤粉与尾渣混合），封口料起防止罐中海绵铁的二次氧化以提高海绵铁品位的作用。
3.2.2.经隧道窑还原冷却后的窑车料罐进入卸料区域，卸车时，采用真空气体输送技术抽去2/3尾粉后，用机械吊具分次吊出铁锭，最后抽出剩余尾粉，完成装卸料工作。
3.3 还原工段——260米大型煤气隧道窑
3.3.1隧道窑工艺设计
装车方案设计：本窑炉按sic反应罐（φ=350㎜H=380㎜）设计，每组罐装海绵铁90㎏。工作日按335天计算，还原时间按36～28小时计。(注:还原时间28小时为发明专利《海绵铁快速还原工艺》，专利申请号200710090245.8)
窑车设计尺寸为：长3400㎜×宽2600㎜，每组罐高度方向装5层罐，宽度方向装6组罐，长度方向装8组罐，每辆窑车上共装48组罐，每车装成品约4.32吨。
sic反应罐在窑车上的安装采用了我公司的专利技术《海绵铁料罐定位稳固装置》(专利申请号200720143974.0)，可有效地防止料罐位移而避免发生倒窑事故。采用最新专利技术《一种生产海绵铁装料用模具》，既能提高产能,又可降低成本。
3.3.2. 隧道窑技术参数及功能描述
3.3.2.1主要技术参数
隧道窑窑型：OTSK260/2780型
窑炉结构型式： 煤气隧道窑
焙烧产品及生产能力：
焙烧制品： 海绵铁
生产能力： 50,000吨/年/座
年工作日： 335天连续生产
窑炉基本尺寸
窑炉长度： 260m
窑内宽： 2.78m
窑内高度： 1.942m(车面至窑顶底面)
窑炉热工制度：
还原时间： 20～40H（可调）
设计最高使用温度： 1220℃
还原温度： 1140～1180℃（可调）
使用燃料： 发生炉冷煤气(Q低=1450kcal/nm3)
配置烧咀： 152支
窑内气氛： 弱还原气氛
还原方式： sic反应罐装烧
窑车及装载尺寸：
窑车尺寸： 长3400㎜×宽2600㎜
窑车数量： 100辆
窑内车位： 76辆
单车装载数量： 48组罐
热工测量及自动控制:
温度测控点： 25点
压力检测点： 4点
控制方式：温度PID自动控制/压力自动显示
3.3.2.2.窑炉结构特征及功能描述
装在反应罐中的铁矿粉，进入隧道窑后要经受加热、保温还原、冷却三个阶段，故隧道窑设计应遵循还原过程中炉料的物理化学变化的原则，将隧道窑分为三个带分别实现预热、还原、冷却三个功能：
——预热带
■预热带功能设计
预热带长51.10米，分15个车位，占窑长的19.73%。该带的主要作用是：利用还原带逆流过来的热烟气对炉料进行加热，使其完成炉料中水分的蒸发和水化物的分解，促使还原剂中挥发份的逸出和脱硫剂碳酸钙（即石灰石）的分解，产生的废气由若干对支烟道汇总后经排烟风机排出厂房外；在该带设置有我公司专利技术《隧道式窑炉温差平衡装置》(专利号2006201134413)，其风源采用预热带抽出的废热烟气,可最大限度地降低窑内温差以提高其产品产量和质量。在窑头设置了气封气幕，以防止窑外冷风进入和窑内热气流外溢。
■预热带炉料变化及反应机理
——炉料中水分的蒸发和水化物的分解；
——还原剂中挥发份的逸出；
——脱硫剂碳酸钙（即石灰石）的分解。
100℃以上时，吸附水大量蒸发逸出，
200℃时，结晶水开始分解，在300℃～ 400℃时分解结束。
H2O+CO=H2+CO2 （≈500℃）
2H2O+C=CO2+2H2 （≈500℃）
H2O+C=H2+CO （≈1000℃）
炉料中含水量高，在还原过程中要消耗大量的热量和CO或碳，对还原过程是不利的。因此，在对炉料进行处理时，应严格控制其含水量。
当炉料被加热至400℃时，还原剂中的挥发物开始强烈地放出，直至800～1000℃时方能结束。当加热至1000 ℃，挥发物（气体）数量可达400m3/T还原剂。当还原剂中加有脱硫剂石灰石（CaCO3）时，因受热而分解。
CaCO3=CaO+CO2↑
这个反应是吸热反应，CaCO3分解时吸收大量的热量。 CaCO3的分解温度约为750 ℃，当温度达到910 ℃时，发生激烈分解。分解产物CaO与还原剂中的硫化合生成稳定的CaS，从而达到去硫的目的。
CaO+FeS=CaS+FeO
——还原带
■还原带功能设计
还原带长153米，分45个车位，占窑长的59.22%。该段的主要作用是：随着炉料被逐步加热到高温，铁的氧化物被CO还原，直至金属铁全部被还原出来，需要较稳定的温度曲线和还原时间。该段设计152支煤气烧咀交叉布置在窑的两侧，通过调节煤气和空气的比例使窑内形成还原气氛和较理想的温度曲线，使产品在较长的高火保温区得到充分的还原效果；在该带设置了我公司专利技术《隧道窑烧成带侧流调压装置》(专利号2006201134396)，以调节窑内压力。
■还原带炉料变化及反应机理
随着炉料的逐步加热高温，铁的氧化物被CO还原，直到金属铁全部被还原出来。碳的气化反应C+CO2=2CO在碳层中进行，在该层中形成了一个高碳势、低氧位的区域；FeO+CO=Fe+CO2反应在氧化铁层进行，同理，在氧化铁层形成了一个高氧位、低碳势的区域。由于碳势和氧位的区别，在碳层生成的CO扩散至氧化铁层，并穿过已还原的海绵铁层，然后在氧化铁的界面上与FeO进行反应，继续生成Fe和CO2。
FeO+CO= Fe+ CO2
在海绵铁与氧化铁的界面上生成的CO2，由于碳层的氧位低，所以CO2离开氧化铁层的界面扩散到碳层，并与碳层的固体碳又进行碳的气化反应：CO2+C=2CO
生成的CO按上述方式扩散至未还原的FeO层，如此不断循环，最后直到FeO相消失，还原过程完成为止。
综上所述，一切有利于碳的气化反应措施，如提高还原温度，采用反应性较好的碳，适当增加配碳量，增加碳反应表面积，在固体碳中加催化剂等，都能提高CO的生成速度，也就提高了氧化铁的还原速度。
当FeO还原结束以后，FeO相消失。反应罐内的气相成份，由还原性气氛变成渗碳气氛，由于气相成份的变化，海绵铁开始渗碳。其反应如下：
2CO=[C]+CO2或3Fe+2CO=Fe3C+CO2 [C]表示溶解于铁中的碳
根据实践经验，在FeO相消失和海绵铁开始渗碳两个阶段之间，存在一个还原终点，如能正确控制还原终点，就可较为理想的控制海绵铁的渗碳。
——冷却带
■冷却带功能设计
冷却带长54.40米，分16个车位，占窑长的21.05%。该段充分利用夹壁间接冷却和水冷结构对产品进行间接冷却，间接冷却抽出的热空气可送助燃或干燥用；在低于500℃温度区可采用风机对制品进行均匀直接冷却，产品出口温度不大于100℃。
■冷却带的炉料变化
还原结束以后，海绵铁进入冷却阶段。在此过程中存在着海绵铁的再氧化过程。
再氧化原因：
a.随着温度的降低，窑内气氛由还原性变成氧化性，使海绵铁发生很小的氧化；
b.任何物体或气体受热时膨胀，而冷却时则收缩。海绵铁进入冷却阶段时，发生收缩，
反应罐内海绵铁等炉料收缩时，不可避免地要吸收空气，导致炽热的海绵铁被空气氧化。
预防再氧化的措施：
反应罐加盖密封；
反应罐要致密；
窑内500℃以上不允许空气与海绵铁接触，要采取多项间接冷却装置，才能既不被氧化又能达到较低温度出窑的效果。
3.4 清砂、压块工段
海绵铁铁锭被吊具吊起时，其下面的斜坡平台升起，铁锭被自动送入清刷机清理，然后经切破机、锤破机破碎后输送到料仓经布料机到每台压块机压块，完成产品，最后将多台压块机的铁块经一条皮带机汇合在一个料斗里，以方便装车发货。压出来的海绵铁块单块重2.5kg以上；密度为4.0-4.5t/m3。整个过程为机械化操作。
利用单斗提升机将煤加入贮煤仓，通过加煤机将煤注入炉膛。然后煤炭在煤气炉干馏段中进行干燥、干馏。煤炭慢速下移，温度逐渐升高，经8～10小时后到达气化段，在干馏段中，煤炭中的水份都释放出来，焦油及大部分硫化物也都干馏出来，并且产生碳氢化合物，形成上段煤气。进入气化段成半焦状的煤焦，经过气化反应，产生下段煤气。
上段煤气离开煤气炉经过预除焦器再进入电除焦油器，除去煤气携带的焦油，然后进入静电除尘器内与下段煤气混合。
下段煤气经旋风除尘器除去大部分灰尘进入热交换器，在热交换器内将煤气热量传给含酚废水后进入自然风冷器，由450～500℃降温至110～130℃后与上段煤气分别进入静电除尘器，再通过静电除尘器除去煤气中的细小尘埃和部分轻油，然后进入双级冷却器冷却至常温，最后经煤气加压机送至湿法脱硫塔脱除煤气中的H2S后输送至用气点使用。
四.大型隧道窑煤基还原法规模工业化实践的体会：提高产能是方向，节能减排是主线
通过对大型隧道窑煤基还原法规模工业化的开发和实践，使我们深信，大型隧道窑应用于直接还原铁规模工业化有广阔的发展空间和前景，这是由于：单窑产能大幅度提高；自动化水平高(设备运行采用PLC技术联锁控制，窑炉温度采用PID智能仪表与计算机自动控制)；生产线长期运行稳定可靠；可生产高品位的DRI；投资较小；环保能达标等。
在推进单窑产能大幅度提高的同时，我们把节能减排工作始终作为一条主线。在节能方面：隧道窑的尾气余热都能得到有效地利用，如将余热换热后作助燃风；将废气余热作干燥用；将废气余热作余热锅炉发电可基本满足项目用电；废还原剂重复利用；采用高热阻低蓄热材料作窑炉砌体材料；提高窑炉温度自动控制水平等等，实际生产实践表明：采用上述技术措施后，项目燃耗水平约1500kcal/㎏·DRI。
在减排方面：按建清洁工厂的标准，采用洁净煤气作燃料废气排放完全可达到国家环保标准要求；采用物料密封输送和多种除尘手段（如重力、旋风、脉冲布袋等）粉尘排放完全可达到国家环保标准要求；项目无污水排放；固体废弃物（如废反应罐和废还原剂）都可回收利用。因而该项目环境是友好的。
煤基隧道窑直接还原铁生产线开发的近期目标：
——以进一步提高单窑产能为方向，以两座大型隧道窑为一生产单元，单元产能达到20～30万吨DRI，两个单元产能达到50万吨DRI；
——以“节能减排”为主线，建DRI节能型清洁工厂。
（本文刊登于中国金属学会《2008年非高炉炼铁年会文集》）