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1、DOI:10.13662/ki.qjs.2014.12.0112014 年第 12 期 轻 金 属 39镁 钛 工 业 硅 钛 渣 电 炉 煤 气 回 收 利 用 的 探 讨李 凯 茂( 攀 钢 集 团 研 究 院 有 限 公 司 ,钒 钛 资 源 综 合 利 用 国 家 重 点 实 验 室 ,四 川 攀枝花 617000)摘 要 : 在大型 钛 渣 电 炉 实现连续 加料的情况下,回收的煤气 为 高 热值 的煤气,具有 较 高的 经济 价 值 。根据攀枝花钛 精矿 、 还 原 剂 的 主 要 成 分 , 采 用 热 力 学 计 算 方 法 , 测 算 了 采 用 连 续 加 料 后 钛 渣
2、电 炉 煤 气 量 。 研 究 表 明 , 若 考 虑 使 用 金 属 化率为 55% 球团进行冶炼钛渣,并将生成钛渣电炉煤气用于预还原钛精矿球团生产,得到每小时实际生产 1 kg 金 属 化球团所需热量比冶炼钛渣时生成煤气热量高 3. 4 倍 , 仍 需 额 外 补 加 热 源 来 生 产 球 团 。关键词: 钛渣; 电炉; 煤气回收; 预还原中 图 分 类 号 : TF823, X705 文献标识码 : B 文章编号 : 1002-1752 ( 2014 ) 12-0039-03Discussion on recycling of gas from titanium slag electr
3、ic furnaceLi Kaimao( Pangang Group esearch Institute Co,Ltd,State Key Laboratory for Comprehensive Utilization of Vanadium and Titanium esources,Panzhihua 61700 0, China)Abstract: This paper discussed the option of using recovered offgas from the titanium slag smelting to process pre reduction ilmen
4、ite pellets In order torecover the offgas with a higher calorific value, the electric furnace should be operated und er the condition of continuous charging and smelting The evalu- ation was made based on thermodynamic calculation und er consideration of the ilmenite concentrates, reducing agent, an
5、d smelting operating condition The offgas volume and heat were evaluated When processing pellets with metallization ratio of about 55% , using offgas from smelting, and the gas heat of the actual required to metalizing pellet per hour was 3 4times higher than heat of offgas from smelter This proved
6、that heat balance would be an issue in a combined pelleting smelting operation, unless additional heat from natural gas was providedKey words: titanium slag; electric furnace; gas recycling; pre reduction冶炼钛渣先进工艺主要有加拿大魁北克铁钛公 司( QIT) 和 南 非 里 查 兹 湾 矿 业 公 司 ( BM) 的 矩 形 密 闭 电炉 薄 料 层 连 续 法 , 挪 威 廷 弗 斯 钛
7、铁 公 司 ( TTI) 的钛精矿造球 回转窑预还原 电炉连续熔炼的二 步 法 和南 非 纳 马 克 瓦 砂 矿 公 司 ( NSL) 空 心 单 电 极 直 流 电 炉 连续 冶 炼 钛 渣 法 , 这 些 公 司 采 用 电 炉 熔 炼 钛 渣 产 生 的煤 气 均 配 有 净 化 处 理 设 备 , 有 效 回 收 利 用 能 源 , 同时 避 免 了 环 境 的 污 染 。 而 国 内 冶 炼 钛 渣 工 艺 以 间 断熔 炼 法 为 主 , 主 要 应 用 于 敞 口 式 电 炉 和 半 密 闭 式 电炉 , 这 些 电 炉 没 有 配 套 煤 气 处 理 设 备 。 冶 炼 过 程
8、 产生 的 煤 气 , 敞 口 式 电 炉 主 要 是 放 散 在 大 气 中 , 半 密闭 式 电 炉 经 二 次 燃 烧 室 燃 烧 后 排 到 大 气 中 , 都 没 有 采取 相 应 措 施 进 行 综 合 治 理 和 余 热 利 用 , 从 而造成能源浪费和环境污染。在 钛 渣 冶 炼 过 程 中 ,产 生 的 二 次 能 源 主 要 包 括 钛 渣 、 半 钢 的 余 热 和 煤 气 等 , 如 何 充 分 利 用 这 部 分 资 源 是 实 现 钛 渣 产 业 持 续 发 展 必 须 解 决 的 问 题 。 钛 渣电炉的热平衡计算表明 1 2 ,电炉煤气带走的热量 ( 包 括 可
9、 燃 性 气 体 的 化 学 能 ) 与 输 入 炉 内 的 电 能 转 化热 量 基 本 持 平 。 因 此 有 效 回 收 煤 气 将 会 产 生 巨 大 的经济效益。笔 者 根 据 攀 枝 花 钛 精 矿 的 成 分 、 还 原 剂 的 质 量 指 标 , 结 合 钛 渣 熔 炼 基 本 反 应 , 采 用 热 力 学 计 算 的 方 法 , 测 算 了 采 用 连 续 加 料 后 钛 渣 电 炉 煤 气 量 。 另 外 , 根据已开展的转底炉使用混合煤气对钛精矿进行预 处理 的 试 验 , 可 以 考 虑 钛 渣 电 炉 煤 气 替 换 混 合 煤 气 以实 现 钛 渣 可 连 续 生
10、 产 , 从 理 论 计 算 上 验 证 是 否 具 有可行性。1 采 用 连 续 加 料 后 钛 渣 电 炉 煤 气 量 的 推算1. 1 冶 炼钛渣基本参数根据攀枝花某 钛 渣厂 连续 加料冶 炼钛 渣基本参作 者 简 介 : 李 凯 茂 ( 1984 ) , 男 , 山 西 大 同 , 硕 士 生 , 主 要 从 事 钛 渣 冶 炼 及 钛 矿 物 加 工 研 究 。 E mail: ybni610 126 com收稿日期: 2014 08 01440 李 凯 茂 : 钛 渣 电 炉 煤 气 回 收 利 用 的 探 讨 2014 年 第 12 期数 的 设 想 ,钛 渣 电 炉 的 每
11、小 时 送 电 功 率 为 21. 7MW, 设备作业率为 95% , 吨 渣 冶 炼 电 耗 为 2300 kWh, 钛 收率为 97. 6% , 所 采 用 原 材 料 的 基 本 参 数 如 表 1 3 所 示 。 依 据 上 述 参 数 , 推 算 出 电 炉 每 小 时 生 产 的 钛 渣数量为 9. 43 t, 每 小 时 的 物 料 投 入 为 钛 精 矿 15. 49t, 无 烟 煤 1. 56 t。表 1 攀 枝 花 钛 精 矿 的 基 本 成 分 , %TiO2 TFe FeO Fe2O346. 50 31. 00 34. 30 6. 21 表 2 某厂利用攀枝花钛精矿生产
12、酸溶性钛渣的指标, %TiO2 TiO2 Ti3O5 FeO74. 55 57. 03 16. 35 5. 782) N2 含量氮 气 是 无 毒 无 害 不 可 燃 气 体 ,来 源 广 泛 ,成 本 低 ,用 氮 气 置 换 煤 气 的 方 法 既 安 全 又 经 济 ,也 便 于 操 作。 连 续 加 料 冶 炼 钛 渣 电 炉 采 用 N2 隔 绝 煤 气 与 空 气 , 防 止 电 炉 冶 炼 煤 气 通 过 给 料 管 道 泄 漏 发 生 的 煤 气 中 毒 、 爆 炸 等 事 故 , 以 及 电 炉 启 动 时 产 生 的 煤 气 在 煤 气 出 口 管 道 发 生 爆 炸 等
13、事 故 。 连 续 加 料 冶 炼 钛 渣 所 需 氮 气 流 量 是 根 据 给 料 系 统 的 管 径 计 算 , 按 照 攀 枝 花 某 钛 渣 厂 电 炉 的 操 作 参 数 , N2 的 流 量 应 控 制 在 250 m3 ( N) / h。3) 其它物质( CH4 )由 于 挥 发 分 的 燃 烧 过 程 和 燃 烧 机 理 非 常 复 杂 , 同时 发 生 多 组 反 应 且 反 应 速 度 很 快 ,故 以 往 建 立 的 煤燃 烧 模 型 简 单 地 认 为 挥 发 份 瞬 间 挥 发 并 燃 烧 ,或4单 独 简 化成 CH4 的燃烧 ,因 此 这 里 无 烟 煤 中 挥
14、 发表 3 冶 炼 钛 渣 常 用 还 原 剂 质 量 指 标 , %FCd Vd Ad85. 0 5. 0 10. 001. 2 煤气成分组成1) CO、 CO2 含量还原熔炼热力学和动力学表明 3 ,CO 产 生 量 的 计 算 中 , 主 要 考 虑 FeO + C = Fe + CO、Fe2 O3 + 3C = 2Fe + 3CO、 3TiO2 + C = Ti3 O5 + CO、SiO2 + 2C = Si + 2CO 四 个 还 原 反 应 。 依 据 电 炉 每 小 时 投 入 钛 精 矿 和 无 烟 煤 的 数 量 , 通 过 物 料 平 衡 的 关 系 , 得 到 冶 炼 过
15、 程 中 每 小 时 CO 的 生 成 量 , 如 表 4 所 示 。分 统 一 按 照 甲 烷 考 虑 ,得 到 冶 炼 钛 渣 每 小 时 生 产 的CH4 的数量 = 1560 kg 6. 5% = 101. 4 kg。由 计 算 煤 气 组 成 成 分 ( 1) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) , 得 到 每 小 时煤气产生量中各气体组分的体积构成及煤气的成 分指标如表 5 所示 。表 5 采用连续加料冶炼钛渣时煤气流量及成分指标成 分 体 积 ,m3( N) h 1) 含 量 , %CO 2092. 66 81. 9CH4 141. 96 5. 56CO2 70. 09 2. 74N
16、2 250. 00 9. 79 1. 3 热值推算热 值 计 算 公 式 : Q = Vi qi , ( 其中 Q 表 示 煤 气表 4 钛渣冶炼过程中每小时 CO 产 生 量 , kg / h 总 热 值 ,qi 表 示 煤 气 中 单 个 组 分 的 热 值 ,Vi 表 煤 气FeO + C Fe2O3 + 3C 3TiO2 + C SiO 2 + 2C 合 计 中 单 个 组 分 的 体 积 含 量 ) 。= Fe + CO = 2Fe + 3CO = Ti3O5 + CO = Si + 2CO 1854. 23 505. 01 223. 60 170. 66 2753. 5在 实际 冶
17、 炼过 程中,存在部分 CO 直 接 还 原 铁 的 氧 化 物 生 成 CO2 的 现 象 。 该 部 分 的 反 应 比 例 与 不 同 的 冶 炼 模 式 及 炉 温 控 制 有 密 切 的 联 系 , 为 方 便 计 算 , 统 一 按 照 冶 炼 过 程 中 CO 的 5% 还原铁氧化物 生成 CO2 考虑 。按照假定的条件, CO 的 生 成 量 为 2753. 5kg / h 95% = 2615. 83kg / h, CO2 的 生 产 量 为 : 2753. 5kg /h 5% 44 /28 = 137. 68 kg / h。采 用 连 续 加 料 冶 炼 钛 渣 时 ,电
18、炉 煤 气 的 热 值 :Q = VCH4 35. 832 + VCO 12. 697= 5. 56% 35. 832 + 81. 9% 12. 697= 12. 39( MJ / m3 ( N) )= 2959. 6kcal / m3 ,其中 CH 、 CO 的 热 值 分 别 为 35. 832 MJ / m3 ( N) ,12. 697 MJ / m3 ( N) 。经 测 算 ,攀 枝 花 某 钛 渣 厂 钛 渣 电 炉 煤 气 热 值 与 其它工 艺 生 产 煤气的 热值 比 较 如表 6 所示 。2014 年第 12 期 轻 金 属 41表 6 不 同 煤 气 种 类 的 热 值 比
19、 较 5煤气种 类 CO 比 例 , % 热 值 ,kJm 3高炉煤气 30% 3009 3762转 炉煤气 55% 6270 8360焦炉煤气 5% 8% 16720 18810铁 合金炉煤气 70% 10450发 生炉煤气 20% 3762 6270QIT 钛 渣 电 炉 煤 气 2 85% 11179攀枝花某企 业钛 渣 电 炉煤气 81. 9% 12370. 7由表 6 可 以 看 出 , 依 据 煤 气 热 值 指 标 顺 序 为 : 焦 炉煤气 云南某企业钛渣电炉煤气 攀枝花某企业 钛 渣 电 炉 煤 气 转 炉 煤 气 高 炉 煤 气 。 据 文 献 2 报 道 , 钛 渣 熔
20、炼 的 基 本 反 应 , 同 大 多 数 矿 热 熔 炼 一 样 , 都 是 碳 还 原 金 属 氧 化 物 生 产 气 体 产 物 一 氧 化 碳 的 过 程 , 所 以 产 生 炉 气 的 成 分 相 差 都 不 大 , 并 且 与 炉根 据 物 料 平 衡 的 关 系 ,使 用 球 团 的 成 分 指 标 ( 表 7) 、 还 原 热 力 学 指 标 ( 式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) ) 以 及 钛 渣目标成分 ( 表 2 ) , 考 虑 到 冶 炼 过 程 中 配 碳 的 过 量 系 数 问 题 2 , 但 得 到 球 团 金 属 化 率 为 55% 时 球 团 中
21、 残留 C 含量仍高于冶炼钛渣所需配碳量,因此,在 此 阶 段 金 属 化 率 的 球 团 冶 炼 钛 渣 无 需 加 还 原 剂 , 所 得 到 煤 气 成 分 和 上 面 有 所 不 同 的 是 , 里 面 不 含 有 CH4 。 在 此 基 础 上 , 采 用 1. 2 的 计 算 方 法 , 煤 气 回 收 率按 93% 计 算 , 得 到 球 团 金 属 化 率 为 55% 时 每 小 时 生 成 钛 渣 电 炉 煤 气 热 量 为 14438. 69MJ, 其 中 钛 渣 电 炉煤气热值为 10. 12MJ / m3 , 且 远 远 高 于 之 前 所 用 混 合煤气的热值 。根
22、据 已 开 展 工 业 试 验 数 据 得 知 ,转 底 炉 参 数 为 : 球团产量: 9797. 38kg / h, 煤 气 流 量 : 3500 m3 ( N) / h, 混 合 煤气 热 值 : 7536. 24 kJ / m3 , 金 属 化 率 为 55% , 生 产金属化率为 55% 的 1 kg 金 属 化 球 团 热 量 需 求 为 :子 大 小 无 关 。 该 计 算 的 钛 渣 电 炉 中 CO 成 分 与 QIT ( 3500m3 / h 7536. 24 kJ / m3 ) 8210kg / h = 2692. 23钛 渣 电 炉 煤 气 比 较 接 近 ,因 此 证
23、 明 采 取 的 计 算 方 式 是科学有效的 。2 钛 精 矿 预 处 理 的 应 用某 企 业 采 用 转 底 炉 6 开 展 钛 精 矿 预 还 原 试 验 , 得 到 金 属 化 率 平 均 指 标 为 55% , 并 测 得 金 属 化 球 团 成分 ( 见表 7) , 从 现 场 大 量 工 业 数 据 得 到 冶 炼 过 程 中 TiO2 的 收 率 为 97. 5% , 结 合 钛 渣 目 标 成 分 ( 表 2) , 由 此 推 算 出 金 属 化 率 为 55% 时 生 产 1 t 钛 渣 需 投入球团 1679. 74 kg。表 7 金 属 化 球 团 成 分 , %Ti
24、O2 MFe FeO SiO2 C 45. 52 17. 59 18. 01 4. 60 5. 89若将回收后钛渣电炉煤气用于转底炉生产金属 化 球 团 ,通 过 热 力 学 分 析 ,CaO、 MgO 等 杂 质 在 还 原 熔炼 钛 精 矿 温 度 下 ( 2000K 左 右 ) 很 难 被 还 原 , SiO2 在钛 铁 矿 还 原 温 度 下 , 会 发 生 不 同 程 度 的 还 原 , 相 比 之下 , FeO 和 TiO2 还 原 容 易 的 多 , 因 此 还 原 过 程 中 主要考虑的反应有 FeO 的 还 原 、 TiO2 的 还 原 和 SiO2 的 还 原 , 即 :F
25、eO + C = Fe + CO H = 158. 49kJ / mol ( 1) 3TiO2 + C = Ti3 O5 + CO H = 264. 35kJ / mol ( 2) SiO2 + 2C = Si + 2CO H = 289. 73kJ / mol ( 3)kJ。 根 据 某 厂 连 续 加 料 冶 炼 钛 渣 基 本 参 数 的 设 想 ,钛 渣 电 炉 的 每 小 时 送 电 功 率 为 21. 7MW。 另 外 , 韩 可喜 7 曾推算过金属化率为 55% 预 还 原 球 团 吨 渣 电耗为 2008. 14kWh, 得 到 此 金 属 化 率 下 每 小 时 生 产 的
26、钛 渣 数 量 为 10. 8t, 由 此 推 算 出 生 产 金 属 化 率 为 55% 的球团所需热量 = 2692. 23 1679. 74 10. 8 =48860. 10 MJ, 此 时 每 小 时 实 际 生 产 金 属 化 球 团 所 需 热 量 比 每 小 时 生 产 钛 渣 电 炉 煤 气 热 量 高 3. 4 倍 , 需 额 外 补 加 热 量 生 产 球 团 。 若 额 外 所 需 热 量 按 含 90% CH4 天 然 气 进 行 计 算 , 其 天 然 气 热 值 为 32. 24MJ / Nm3 , 钛 渣 电 炉 煤 气 采 用 转 底 炉 技 术 生 成 球 团
27、 所 需补加天然气 1067. 64m3 ( N) / h。3 展 望国 内 主 流 钛 渣 生 产 装 备 技 术 仍 然 以 3200KVA 、 6300KVA 等功率的熔炼电炉为主导,所产生煤气都 被 用 来 燃 烧 后 排 放 或 直 接 排 放 。 另 外 , 国 内 某 些 大 型 钛 渣 电 炉 实 现 煤 气 回 收 , 并 将 回 收 后 煤 气 用 于 发 电 或 干 燥 原 料 , 但 不 能 充 分 发 挥 钛 渣 电 炉 煤 气 高 还 原 性 的 特 点 。 基 于 此 , 部 分 企 业 采 用 转 底 炉 开 展 钛 精 矿 预 还 原 试 验 研 究 , 考
28、虑 将 回 收 钛 渣 电 炉 煤 气 用 来 生 产 金 属 化 球 团 , 以 达 到 钛 渣 流 程 中 回 收 利 用 能 源的目的。经 上 面 计 算 结 果 表 明 ,球 团 金 属 化 率 为 55% 时, 冶 炼 钛 渣 产 生 钛 渣 电 炉 煤 气 的 热 值 远( 下 转 第 52 页 )52 苏 杰 等 : 一 种 新 型 通 风 系 统 在 电 解 铝 厂 整 流 所 中 的 应 用 2014 年 第 12 期图 4 自冷密闭循环通风系统室外通风道 和地下层水风冷却器5 结 语越 来 越 多 的 电 解 铝 厂 建 设 在 港 口 附 近 、 荒 漠 地 区 、 寒
29、带 、 热 带 和 污 染 严 重 的 工 业 园 区 , 这 些 地 区 的 电 解 铝 厂 整 流 所 受 环 境 影 响 不 可 忽 视 , 为 了 保 证 整 流 所 整 流 系 统 的 稳 定 运 行 , 提 高 整 流 设 备 的 寿 命 , 同 时 降 低 设 备 投 资 和 运 行 费 用 , 电 解 铝 厂 整 流 所 自 冷 密 闭 循 环 通 风 系 统 将 得 到 越 来 越 多 的 应 用 。参考文献 :1 沈 阳 铝 镁 设 计 研 究 院 电 力 室 硅 整 流 所 电 力 设 计 M 冶 金 工 业 出版 社 , 1983 年 12 月 2 中 国 有 色 金
30、属 工 业 协 会 有 色 金 属 冶 炼 厂 电 力 设 计 规 范 S 中 国计 划 出 版 社 , 2012 年 ( 责 任 编辑 范 鸿 雁 )? ? ? ? ? ? ? ? ?( 上接第 41 页 )高 于 工 业 试 验 所 使 用 混 合 煤 气 ,但 每 小 时 生 成 钛 渣 电 炉 煤 气 热 量 低 于 实 际 生 产 金 属 化 球 团 所 需 热 量 , 需 额 外 补 加 热 量 生 产 球 团 。 由 此 可 见 , 将 回 收 后 钛 渣 电 炉 煤 气 采 用 转 底 炉 生 产 金 属 化 球 团 是 可 行 的 , 但仍需额外补加热源。4 结 论( 1)
31、某 大 型 电 炉 采 用 连 续 加 料 冶 炼 钛 渣 时 , 室 温 下 生 产 钛 渣 电 炉 煤 气 的 热 值 为 12370. 7kJ / m3 , 较 高炉煤气热值近 3 倍 , 属 于 高 热 值 煤 气 , 具 有 较 高 的 使用价值 。( 2) 球团金属化率为 55% 时 , 每 小 时 生 产 钛 渣 电 炉 煤 气 热 量 仍 低 于 实 际 生 产 金 属 化 球 团 所 需 热 量 , 需 额 外 增 加 热 源 或 使 用 其 它 矿 物 代 替 金 属 化 球 团。参考文献 :1 李 兰 伟 铁 合 金 生 产 余 热 利 用 现 状 N 中 国 冶 金 报
32、 , 2009 10 222 杨 绍 利 , 盛 继 孚 钛 铁 矿 熔 炼 钛 渣 与 生 铁 技 术 M 北 京 : 冶 金 工 业出 版 社 , 200 6: 398 5703 吕 改 改 大 型 密 闭 直 流 电 炉 冶 炼 钛 渣 安 全 生 产 保 障 措 施 研 究 D 昆 明 : 昆 明 理 工 大 学 , 201 2: 10 114 张 海 飞 煤 中 挥 发 份 燃 烧 机 理 的 试 验 研 究 D 南 京 : 南 京 工 业 大学 , 200 55 刘 扬 程 冶 金 企 业 煤 气 的 生 产 与 利 用 M 北 京 : 冶 金 工 业 部 钢 铁司 , 198 7
33、: 3 46 翁 庆 强 , 郑 建 华 转 底 炉 直 接 还 原 铁 的 工 艺 分 析 J 工 业 炉 ,201 2, 34( 4) : 12 157 韩 可 喜 钛 精 矿 预 还 原 球 团 冶 炼 钛 渣 的 电 耗 水 平 分 析 J 工 业 炉钢 铁 钒 钛 , 201 4, 35( 2) : 51 55( 责 任 编辑 范 鸿 雁 )行 业 资 讯 ? ? ? ? ? ? ? ? ?2007 2012 年 全 球 冶 金 级 氧 化 铝 供 需 平 衡 ( 万 吨 )2007 2008 2009 2010 2011 2012( 预测 )全球 产 量 7507 8106 7281 8260 9190 9784中国 产 量 1976 2437 2285 2993 3900 4400中国之外的 产 量 5531 5669 4996 5267 5290 5384全球消 费 量 7437 7810 7317 8203 8996 9457全球平衡 70 296 36 57 194 327数 据 来 源 : 北京安泰科信息开 发 有限公司,英国商品研究所 ( C U) 。 王 祝 堂 供稿
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