钒钛磁铁矿竖炉气基还原工艺的基础研究

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

MIDREX 42.01 59.7 57 57 105.2

HYL 9.90 14.1 22 14 95.5 其它0.34 0.5 / / 15.4 煤基18.12 25.7 / / ～70.0

世界总计70.4 100.00

直接还原工艺中，气基法以天然气为能源，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850～900℃的还原气。炉料经炉顶料仓、下料管进入还原炉。还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%，SiO21.5%～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）。