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《現(xiàn)代冶金雜志》2015年第一期

1氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦

1.1傳統(tǒng)釩鈦礦處理工藝存在的不足目前釩鈦礦傳統(tǒng)處理工藝分為高爐法和非高爐法。（1）高爐冶煉釩鈦礦資源存在以下不足：流程長(zhǎng)、系統(tǒng)龐大、工藝復(fù)雜、必須使用焦炭；工序能耗高，生產(chǎn)成本昂貴，大氣污染物排放量大、環(huán)境污染嚴(yán)重；在高爐冶煉條件下，爐渣、鐵液粘稠度大，流動(dòng)性差，冶煉難度加大；釩鈦礦冷態(tài)強(qiáng)度和低溫還原粉化性能差，無(wú)法滿(mǎn)足冶煉要求；鈦資源無(wú)法進(jìn)行回收，導(dǎo)致大量丟棄或填埋，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染（特別是地下水系統(tǒng)）。（2）非高爐冶煉釩鈦礦資源存在以下不足：?jiǎn)螜C(jī)生產(chǎn)規(guī)模小，單臺(tái)設(shè)備最大能力25萬(wàn)噸/年；還原劑中的灰分進(jìn)入鈦渣中導(dǎo)致鈦渣品位降低；鈦資源仍未得到有效利用。

1.2氫氣豎爐直接還原工藝特點(diǎn)氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦資源的工藝流程為：原料處理→氧化球團(tuán)→氫氣豎爐直接還原→熔分提鈦→轉(zhuǎn)爐提釩。氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦的產(chǎn)品為高品質(zhì)鐵水、富鈦產(chǎn)品以及富釩產(chǎn)品。（1）高品質(zhì)鐵水可以作為鑄造或煉鋼的生產(chǎn)原料。（2）富鈦產(chǎn)品是目前世界上主要的富鈦料之一，主要用于生產(chǎn)鈦白粉、海綿鈦等，而鈦白粉、海綿鈦等產(chǎn)品被用于油漆、涂料、鈦合金等產(chǎn)品的生產(chǎn)，最終用于航空航天、化工冶金、能源電力、船舶和海洋工程、汽車(chē)、建筑、體育用品等行業(yè)。富鈦原料的生產(chǎn)、供應(yīng)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面緊密相連，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于非常重要的地位。（3）富釩產(chǎn)品可作為五氧化二釩、釩鐵等產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。釩具有眾多優(yōu)異的物理性能和化學(xué)性能，用途十分廣泛，有金屬“維生素”之稱(chēng)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的飛躍發(fā)展，人類(lèi)對(duì)新材料的要求日益提高。釩的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涵蓋了鋼鐵工業(yè)、航空航天、化學(xué)、電池、顏料、玻璃、光學(xué)、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。氫氣豎爐直接還原工藝能夠100%使用釩鈦礦作為原料；產(chǎn)品為富鈦產(chǎn)品、富釩產(chǎn)品以及優(yōu)質(zhì)鐵水，其中鈦渣品位＞55%，釩渣品位＞20%，均可作為后續(xù)釩鈦深加工原料使用，實(shí)現(xiàn)了釩鈦礦中釩、鈦、鐵資源的綜合回收利用；與傳統(tǒng)釩鈦礦處理工藝相比工藝流程短，能耗低、環(huán)境污染小，無(wú)固體廢棄物排放；整個(gè)工藝過(guò)程CO2減排25%以上，也可以實(shí)現(xiàn)零排放，NOx、SO2、粉塵減排90%以上，能耗降低15%以上，提高了資源利用效率，節(jié)能環(huán)保效益顯著。

2氫氣豎爐配套還原氣制備

目前，國(guó)際上氣基豎爐所用還原氣多為天然氣，大部分的氣基豎爐項(xiàng)目都建設(shè)在南美、中東和印度等天然氣資源豐富且價(jià)格低廉的地區(qū)。但中國(guó)的資源特點(diǎn)為“缺油、少氣、富煤”。天然氣在中國(guó)的儲(chǔ)量極為有限，且當(dāng)前主要用于滿(mǎn)足民用和化工產(chǎn)業(yè)使用，價(jià)格較貴。在中國(guó)用天然氣作為氣基豎爐還原氣生產(chǎn)直接還原鐵不僅氣源不足，成本也高。這也是長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)制約氣基豎爐直接還原技術(shù)在中國(guó)大規(guī)模推廣的限制因素。中國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量十分豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止至2013年，中國(guó)已探明煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)14.8萬(wàn)億噸。煤炭資源中優(yōu)質(zhì)的焦煤資源多用于焦化廠(chǎng)的煉焦生產(chǎn)。在煉焦過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年中國(guó)焦炭產(chǎn)量為4.76億噸，產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣量1900億m3。按照45%自用，則可對(duì)外提供焦?fàn)t煤氣1000億m3。中國(guó)焦化廠(chǎng)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是設(shè)于鋼鐵廠(chǎng)內(nèi)的焦化廠(chǎng)；另一類(lèi)是獨(dú)立焦化廠(chǎng)。前一類(lèi)焦化廠(chǎng)的焦?fàn)t煤氣大部分用于廠(chǎng)內(nèi)工業(yè)爐窯加熱爐使用，剩余部分用于廠(chǎng)內(nèi)鍋爐或發(fā)電。后一類(lèi)獨(dú)立焦化廠(chǎng)產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣大多被放散，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)及環(huán)境污染。煤炭資源中的低階劣質(zhì)煤目前多通過(guò)配煤技術(shù)或凈化分離技術(shù)之后作為燃料使用，在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量SO2、CO2、粉塵等污染物，對(duì)環(huán)境造成不利影響。冶金設(shè)計(jì)院針對(duì)中國(guó)資源特點(diǎn)，研發(fā)出了適用于氫氣豎爐直接還原工藝的焦?fàn)t煤氣制備還原氣技術(shù)以及低階煤制備還原氣技術(shù)。還原氣供應(yīng)穩(wěn)定、成本低，打破了國(guó)際上采用天然氣制備原料氣的常規(guī)，解決了中國(guó)天然氣資源短缺的問(wèn)題，使氣基豎爐直接還原技術(shù)在中國(guó)大規(guī)模的建設(shè)成為可能。目前，由冶金設(shè)計(jì)院總承包，以焦?fàn)t煤氣為還原氣制備原料的“中晉太行礦業(yè)有限公司30萬(wàn)t/a焦?fàn)t煤氣制還原鐵項(xiàng)目”已在山西中晉太行開(kāi)工建設(shè)。這是全球第一條使用焦?fàn)t煤氣為還原氣制備原料的氣基豎爐直接還原生產(chǎn)線(xiàn)。由冶金設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的以低階煤為還原氣制備原料的“釩鈦海砂礦資源綜合利用項(xiàng)目”擬于青島、連云港等地投入建設(shè)。

3氫氣豎爐直接還原技術(shù)推廣前景

20世紀(jì)中期以來(lái)，隨著世界能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，發(fā)達(dá)國(guó)家都把非高爐煉鐵工藝作為鋼鐵工業(yè)的一次革命，放在較高的戰(zhàn)略位置去考慮。中國(guó)的鋼鐵工業(yè)也應(yīng)在新技術(shù)開(kāi)發(fā)上進(jìn)行改革性、超前性的研究。氣基豎爐直接還原鐵技術(shù)作為新興的、開(kāi)拓性的技術(shù)之一，可有效地克服高爐煉鐵投資大、能耗高、流程長(zhǎng)等缺點(diǎn)，能更好地適應(yīng)現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)不斷向緊湊化、高效化、連續(xù)化、高潔凈化及對(duì)環(huán)境友好方向發(fā)展的趨勢(shì)，必將成為鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3.1氫氣豎爐直接還原工藝處理傳統(tǒng)鐵礦石前景氫氣豎爐直接還原工藝處理傳統(tǒng)鐵礦石的產(chǎn)品直接還原鐵是解決廢鋼不足的重要途徑，是廢鋼殘留元素的稀釋劑，是電爐冶煉高品質(zhì)純凈鋼、優(yōu)質(zhì)鋼不可或缺的控制殘留元素的原材料；是裝備制造業(yè)生產(chǎn)石油、合成化工、核設(shè)施等裝備不可缺少的原材料；是轉(zhuǎn)爐煉鋼最好的冷卻劑。以直接還原鐵為冷料用于轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)可提高轉(zhuǎn)爐冷料的使用量，有利于提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率和產(chǎn)量，有效提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的熱利用率。中國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，根據(jù)全球鋼鐵生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2013年，中國(guó)以7.79億t的粗鋼產(chǎn)量位居世界第一，占全球粗鋼產(chǎn)量的48.5%，比2012年增長(zhǎng)了7.5%。按世界直接還原鐵產(chǎn)量占粗鋼產(chǎn)量的5．5％計(jì)算，中國(guó)直接還原鐵的年產(chǎn)量應(yīng)超過(guò)4000萬(wàn)t。同時(shí)，中國(guó)廢鋼資源短缺，特別是對(duì)優(yōu)質(zhì)廢鋼的需求，更是供不應(yīng)求，進(jìn)口廢鋼鐵價(jià)格及進(jìn)口海綿鐵價(jià)格居高不下，都為中國(guó)直接還原鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和新的機(jī)遇。國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，氣基豎爐直接還原法是迅速擴(kuò)大直接還原鐵生產(chǎn)的有效途徑。氣基豎爐還原具有還原速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、單機(jī)產(chǎn)能大等優(yōu)勢(shì)。

3.2氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦前景近年來(lái)，隨著中國(guó)鋼產(chǎn)量的逐年遞增，國(guó)內(nèi)鐵礦石原料供應(yīng)的缺口也在不斷增大，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外鐵礦石價(jià)格暴漲。在亞太地區(qū)，如日本、菲律賓、印度尼西亞、澳大利亞、新西蘭存在一種儲(chǔ)量大、易于采選且價(jià)格低廉的釩鈦海砂礦，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)開(kāi)發(fā)和進(jìn)口的廉價(jià)鐵礦資源之一。2013年，中國(guó)釩鈦資源年處理量約3000萬(wàn)t，釩資源回收率47%、鈦資源回收率約14%。發(fā)改產(chǎn)業(yè)[2012]2346號(hào)文《釩鈦資源綜合利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》—中指出，“規(guī)劃”發(fā)展的目標(biāo)是釩鈦資源利用水平顯著提高，明確釩鈦礦、鈦鐵礦、含釩石煤中釩資源綜合利用率和鈦資源回收率；自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)新的突破，在高端產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用上有重大進(jìn)展，高檔產(chǎn)品比例大幅提升；節(jié)能減排取得明顯進(jìn)展，減少?gòu)U物產(chǎn)生量和排放量，提高廢物回收利用率。氫氣豎爐直接還原工藝處理釩鈦礦能夠100%使用釩鈦礦作為原料；采用清潔的還原氣作為還原劑，產(chǎn)品純度高（鈦渣品位＞55%，釩渣品位＞20%），可作為后續(xù)釩鈦深加工原料使用，實(shí)現(xiàn)了釩鈦礦中釩、鈦、鐵資源的綜合回收利用；采用熔分提鈦轉(zhuǎn)爐提釩工藝，有利于渣鐵分離，提高了金屬收得率（鈦、釩、鐵回收率分別達(dá)到95%、75%和90%以上）；與傳統(tǒng)釩鈦礦處理工藝相比工藝流程短，能耗低、環(huán)境污染小，無(wú)固體廢棄物排放；整個(gè)工藝過(guò)程CO2減排25%以上，也可以實(shí)現(xiàn)零排放，NOx、SO2、粉塵減排90%以上，能耗降低15%以上，提高了資源利用效率，節(jié)能環(huán)保效益顯著。

4結(jié)束語(yǔ)

江蘇省冶金設(shè)計(jì)院研發(fā)的氫氣豎爐直接還原鐵技術(shù)不但可以處理傳統(tǒng)鐵礦石資源，還可處理釩鈦礦資源，實(shí)現(xiàn)釩鈦資源的綜合利用。該技術(shù)在中國(guó)乃至全世界均具有廣闊的推廣前景，其工業(yè)化應(yīng)用必將開(kāi)啟中國(guó)氣基豎爐直接還原技術(shù)的新紀(jì)元。

作者：雷華單位：江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司