甲级设计院20万吨转底炉直接还原炼铁可研报告.docx
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甲级设计院20万吨转底炉直接还原炼铁可研报告.docx
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甲级设计院20万吨转底炉直接还原炼铁可研报告
20万吨转底炉直接还原炼铁工程可行性研究报告
工程号:
w08071
中钢集团北京设计院
20万吨转底炉直接还原工程
可行性研究报告
院长:
王自立
总工程师:
项目总设计师:
中钢集团北京设计院
参加编制主要人员名单
专业名称设计人审核人主任工程师
工艺
设备
燃气
通风
热力
总图
电气
给排水
建筑
结构
能源
环保
安全卫生
消防
投资咨询
附表:
附图:
1.总论
1.1企业概况
1.1.1昆钢基本情况
昆钢始建于1939年,经历了几十年的努力,特别是近十几年来的改革与发展,目前已发展成为集矿山、焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢于一体的云南省最大的国有特大型钢铁联合企业,是全国520户国有重点企业之一,云南省重点支持的10户省属工业企业之一,也是省内第一个销售收入突破100亿元的云南省属工业企业,现已具备年产600万吨钢的综合生产能力,取得了令人瞩目的成就。
昆钢本部位于昆明西南32公里处的安宁市境内,占地面积约为10平方公里。
公司主要经营范围:
资产经营、资产托管、实业投资及相关咨询服务;冶金、加工轧钢;黑色金属矿采选业、非金属矿采选业、焦炭和焦化附产品;机械制造、设备配件加工;耐火材料生产;建筑材料、工业气体、物资供应;冶金高新技术研发、技术服务、通讯电子工程、计算机硬件、软件、电器机械及器件;承包境外冶炼、钢结构工程和境内国际招标工程,上述境外工程所需设备材料的出口,对外派遣实施上述境外工程所需的劳务人员。
公司成立许可证:
5300001013622
登记机关:
云南省工商行政管理局
注册资本:
5463224900元人民币
企业性质:
国有独资(有限责任公司)
1.1.2昆钢基本经营情况
昆钢2002年至2006年,累计产钢1592.47万吨、铁1602.14万吨、材1468.56万吨,累计实现工业增加值133.79亿元、销售收入531.71亿元、利税61.43亿元,截至2006年底昆钢资产总额已达259.15亿元。
昆钢现已具备年产600万吨钢的综合生产能力,拥有高速线材、连轧棒材生产线、130m2烧结机、2000m3高炉和双机架紧凑式炉卷轧机等先进装备。
主要产品有高速线材、螺纹钢、热轧板、冷轧板、镀锌彩涂板、铁合金和焦化产品等。
昆钢钢材产品已通过ISO9002标准质量体系认证,曾荣获“全国产品实物质量和售后服务双十佳企业”、“全国50家用户满意企业”、“全国执行法定计量单位先进集体”和“全国质量效益型先进企业”等荣誉称号。
近几年来,随着昆钢产能规模不断提升,生产工艺流程更加优化,产品结构进一步改善,在现代化、集约化、高效化的进程中实现了质的飞跃,较具竞争力的热轧带肋钢筋、冷轧板、镀锌彩涂板、中宽板、螺旋焊管、冷弯型钢等钢材产品不断销往省内外,并出口德国、日本、韩国、新加坡、越南、印尼、泰国、缅甸等国家,2006年出口创汇总额已突破6000万美元。
1.2编制依据
(1)武钢集团昆明钢铁股份有限公司关于20万吨转底炉直接还原工程可行性研究报告编制委托书;
(2)国务院2007年7月27日颁布的国家计委、经贸委七号令《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术指导目录(2007年修订)》;
(3)2005年12月2日中华人民共和国国家发展改革委员会第40号令《产业结构调整指导目录(2005年本)》;
(4)科学技术部编制《2006年科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》;
(5)2005年国家发改委第35号令《钢铁产业发展政策》。
1.3项目概况
1.3.1项目名称:
20万吨转底炉直接还原工程
1.3.2建设单位:
武钢集团昆明钢铁股份有限公司
1.3.3项目建设地点:
武钢集团昆明钢铁股份有限公司烧结第一作业区(原二烧车间)
1.3.4项目建设的必要性
近年来我国钢铁工业迅猛发展,据国家发改委统计,2006年全国生铁产量40417万吨,同比增长19.78%;钢产量41878万吨,同比增长18.48%;钢材产量46685万吨,同比增长24.45%。
粗钢产量占世界总产量的34%,已连续多年位居世界第一位。
钢铁工业的快速发展,在推动国家和地方社会经济前进的同时,也随之带来一系列相关的负面问题。
我国很多钢铁企业存在生产组织和管理粗放,环境污染严重以及资源消耗和浪费较大等问题。
这一点突出表现没有实现资源的有效回收和综合利用。
在资源回收与综合利用、循环经济方面,与国外发达国家的钢铁企业相比有很大差距。
昆钢目前每年所产生的7.5万吨炼铁工序粉尘(含重力除尘灰、布袋除尘灰、旋风除尘灰、煤气灰),均用于烧结工序。
这些粉尘在烧结工序使用过程中存在以下问题:
1).环境污染严重;2).尘的粒度小,亲水性差,不易成球,对烧结混合料造球不利,影响烧结矿产品质量;
目前,党中央和国务院提出了建设和谐社会的奋斗目标,提出了可持续发展以及循环经济的理念,把资源的合理开发和综合有效利用摆到了相当重要的位置。
因此,如何解决钢铁企业资源回收利用以及环境保护等相关问题,已引起社会各界和广大钢铁企业的高度重视。
高炉冶炼的最基本过程是铁矿石的还原,它也是造成高炉冶炼费时长、能耗多及焦比难以继续下降的原因。
用转底炉生产低成本的金属化球团,作为一种在高炉外实行了预还原的新型炉料取代传统的人造富矿,从而把高炉中的大部分还原过程从高炉冶炼中分离出来,将高炉冶炼简化为费时短、能耗少及焦比显著下降的终还原和熔铁过程。
高炉由于使用了这种球团而在冶炼过程上引起重大变革,冶炼周期缩短、强度提高,同时高炉焦比下降、产量提高。
同时也可以减少、甚至避免烧结、炼焦所带来的资源和环境问题。
鉴于我国的资源状况和环境态势,转底炉——高炉双联工艺的目的是开发一种显著减少环境污染、合理利用能源、提高生产率、降低生产成本的新的炼铁方法。
我们可以利用转底炉生产成本低、原料适应性广的特点,将转底炉还原的金属化球团作为一种高炉原料,生产类似二步法熔融还原的预还原金属化球团,用金属化球团代替现有流程中的烧结矿、球团矿进行高炉冶炼。
昆钢自2005年起,密切关注国外转底炉技术发展动态,与国内多家科研单位和相关企业合作,深入研究转底炉直接还原技术,做了大量基础性工作并计划建设年产20万吨转底炉直接还原生产线。
1.3.5国家相关产业政策
2005年,国家出台了《钢铁产业发展政策》,首先明确了产业发展的目标,就是在“使我国成为世界钢铁生产的大国和具有竞争力的强国”这个总目标的统筹下,实现产品结构调整、组织结构调整、产业布局调整和发展循环经济。
产业政策把可持续发展和循环经济的理念纳入到钢铁产业发展的目标之中。
环保政策对钢铁产业也提出了更高要求,一是国家对产业环保要求更加严格,涉及的内容更加广泛,并把环境保护纳入到企业信用评价体系之中;二是对各种污染物的排放标准更高,总量控制更严,要求企业增产不增污,增产还需减污,从单纯的外排控制逐渐转移到总量及生产过程控制。
另一方面,环境保护深入社会各个层面和各个阶层,人们的环境意识增强,对企业的环保工作提出了更高的要求。
以下是近年来部分国家发改委和科技部关于鼓励非焦炼铁政策条文的摘抄:
1)国务院2007年7月27日颁布的国家计委、经贸委七号令《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术指导目录(2000年修订)》:
十四、钢铁;8、直接还原。
2)2005年12月2日中华人民共和国国家发展改革委员会第40号令《产业结构调整指导目录(2005年本)》:
第一类:
鼓励类
七、钢铁;6、15万吨/年及以上直接还原法炼铁。
3)科学技术部编制《2005年科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南》中列出重点支持项目:
三:
新材料;
(四)、材料的先进制备、成型、加工技术及高性能产品;
1、冶金新材料的制造加工技术;
(4)环境友好、节约能源的短流程生产工艺。
4)2006年《指南》沿用2005年《指南》:
各领域内的支持重点及相关要求与2005年度《指南》中的规定基本保持一致。
同时,根据国家中长期科学与技术发展规划纲要提出的增强自主创新能力,建设创新型国家的奋斗目标,以及节约资源、建设环境友好型社会的总体战略部署,更加强调以企业为主体的产学研创新组织的发展,更加关注循环经济和资源综合化利用。
5)2005年国家发改委第35号令《钢铁产业发展政策》
第四章产业技术政策,第14条指出:
“支持企业跟踪、研究、开发和采用……熔融还原等钢铁生产流程前沿技术.”
1.3.6项目建设内容概况
本项目主要建设内容包括:
●煤粉制备系统
●原料库及烘干、配料系统
●混匀、润磨系统
●造球及筛分系统
●生球烘干系统
●转底炉还原系统
●冷却系统
●循环水系统
●外围工业管道系统
●总图运输
1.3.7设计指导思想及原则
(1)采用创新、先进的工艺方法及流程,蓄热式转底炉技术,制定可靠的生产工艺流程;采用实用、成熟可靠、行之有效、便于管理和操作的工艺装备。
最终体现“投资省、见效快、质量高、效益好”的特点。
(2)确保工艺布置合理、厂区布置紧凑,尽量节约用地和确保物流通畅,项目建设要具有时代感和先进性。
在保证先进性的同时,注意从节省建设资金,努力实现资源和能源的最佳配置,力争把转底炉装置建设成为国内具有代表性的、效益最佳化的现代化工厂。
(3)严格贯彻执行国家对冶金行业的产业政策及当地政府的有关法律与规定,全力推动新技术的应用。
(4)最大限度地推行清洁化工厂的相关技术,对再生资源的综合利用进行技术开发和探索,综合防止环境污染,充分体现出文明生产的气息。
(5)强化环境保护和资源综合利用,强化三废综合治理措施,做到能回收的不浪费,不能回收的经过处理后达标排放,真正建设成为现代化的循环经济型工厂。
(6)在项目建设规模上,出于对资源、资金以及各设施工艺布置及能力配置等的综合考虑,拟采用一次规划到位、合理配置,分步加以实施的策略。
根据实际情况,按照合理的建设程序,合理地安排各个子项目开工、完工及竣工时间,以便于把握项目建设的总体进度、合理分配建设资金。
(6)主体设备立足于国内设计、制造,以有效节约宝贵的建设资金。
对于转底炉的关键设备、主体设备将认真借鉴、消化、吸收国外先进技术。
(7)合理配置劳动力资源,提高劳动生产率。
1.3.8项目投资及效益
项目总投资23288万元,其中工程项目直接投资18788万元,铺底生产流动资金4500万元。
通过经济分析,该项目装备水平高、投资省、环境和经济效益较好。
产品平均单位生产成本1149.28元/t,其中除铁原料以外的加工成本579.57元/t。
经济分析结果表明,项目经济可行。
1.3.9主要技术经济指标
项目的主要技术经济指标见表1-1。
主要技术经济指标表1-1
序号
指标名称
单位
指标值
备注
1
直接还原铁
万吨/年
20
2
除尘灰
万吨/年
7.5
铁精矿
万吨/年
19
还原无烟煤
万吨/年
4.28
干基
有机粘结剂
万吨/年
0.124
消石灰
万吨/年
0.496
3
装机容量
kVA
3000
混合煤气消耗
m3/h
9438
循环用水量
t/h
650
补充水量
t/h
50
氮气
m3/h
200
间断
蒸汽
t/h
0.8
间断
压缩空气
m3/h
80
4
工序能耗
kg标煤/t
313.52
5
占地面积
m2
37400
建筑占地面积
m2
14400
运入量
万吨/年
32
运出量
万吨/年
22
绿化面积
m2
10100
绿地率27%
6
职工定员
人
80
7
项目总投资
万元
23288
固定资产投资总额
万元
18788
铺底生产流动资金
万元
4500
8
平均单位生产成本
万元
1149.28
其中除铁料外加工费用
万元
544.96
2.项目技术基础
2.1转底炉直接还原技术的现状
在现代工业高度发展的今天,钢铁工业是整个国民经济的基础工业之一,是衡量一个国家综合国力的重要指标。
目前,钢铁工业规模在不断扩大,钢铁生产技术处于不断发展和完善之中,钢铁生产工艺流程也在不断向紧凑化、高效化及循环经济型、环境友好型的方向发展。
为了解决焦煤短缺以及传统高炉炼铁工艺所存在的能耗高,环境污染严重等问题,世界上出现了多种新型非高炉炼铁法,其中最重要的方法之一便是直接还原炼铁法。
直接还原是指铁矿石或含铁氧化物在低于熔化温度之下还原成金属产品的过程。
其所得的产品称为直接还原铁(DRI),或称海绵铁、金属化球团。
DRI可以做为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂,代替废钢或生铁块等。
以DRI为废钢冶炼优特钢种,对保证钢的品质,起着不可替代的作用。
低金属化率的DRI也可直接入高炉冶炼,替代普通烧结矿或球团矿。
在高炉配加低金属化率DRI能够减低焦炭消耗,提高高炉冶炼强度。
1)直接还原生产工艺的发展
早在1770年,英国就出现了第一个直接还原法专利。
之后出现过数百种直接还原方案,但真正实现工业化是从20世纪50年代开始的。
1968年美国Midrex法获得成功,直接还原开始迅速发展,产量稳步上升。
随着产量的增加,直接还原冶炼工艺也不断推陈出新。
在众多的冶炼工艺中,按照主体能源的不同,我们可将其分为气基直接还原、煤基直接还原和电热直接还原三大类。
其中,电热直接还原以电力为主要能源,因为要消耗大量的电力,目前多已停产。
而另两类方法是直接还原铁生产的主要方法,现介绍如下:
2)气基直接还原
气基直接还原法是一种以气体(主要指天然气)做还原剂的直接还原工艺。
其主要优点是:
生产效率高、能耗低、操作容易,是直接还原铁生产最主要的方法,约占DRI总产量的85%左右。
该方法主要分布在天然气资源相对丰富的国家和地区。
代表工艺有Midrex竖炉法、HYL反应灌法、流态化法等。
由于我国大部分地区天然气资源匮乏,因此气基直接还原工艺的技术不适合在我国大范围推广和发展。
3)煤基直接还原
煤基直接还原法是指以固体(煤炭等)做还原剂的直接还原方法。
该方法较气基法存在生产效率低、生产规模小、容易出现结圈结瘤的缺点,然而它主要用廉价的非焦煤为还原剂,有效的避免了气基法的不足,目前主要分布在天然气资源缺乏,但拥有优质的铁矿资源和丰富煤炭资源的地区,如南非、印度、新西兰等地。
我国天然气资源非常有限,但煤炭资源(尤其是非焦煤)却很丰富。
因此,煤基法直接还原铁工艺是我国的首选工艺。
目前在国内实施的工艺主要有:
隧道窑工艺、回转窑工艺和倒焰窑工艺等。
其中机械化、自动化程度较高的Fastmet法和冷固结球团回转窑法都是先进、可靠、经济的工艺。
用转底炉生产直接还原铁是近几十年新开发的一种煤基炼铁方法。
虽然其研究和生产尚处于实验和示范性生产阶段,工艺路线和技术难点也正在探索之中,但由于转底炉直接还原的工艺特点和设备优势,该工艺已经引起了冶金领域的普遍关注,成为当前煤基直接还原技术研发的热点之一。
2.2直接还原铁生产技术在我国的发展前景
直接还原铁主要用途是电炉炼钢原料。
电炉炼钢与高炉转炉炼钢相比,流程短,固定资产投资小,铁矿石、焦炭、水资源等消耗少,占地面积小,可比能耗低,对环境污染小,工厂可接近资源产地及市场,启动及停炉灵活,符合可持续发展要求。
2000年,美国短流程电炉钢产量达到5000万吨,占美国钢产量的比重从20世纪90年代初的37%上升到47%。
2006年,电炉钢产量首次超过6000万吨,占美国钢产量的57%。
我国是全球最大的产钢国,2006年全球粗钢产量12.395亿吨,其中中国产钢4.188万吨,占33.79%;2007年全球粗钢产量据国际钢铁协会统计,为13.4亿吨;我国粗钢产量据中国国家统计局统计,为4.892亿吨,占36.51%。
但是由于受废钢资源和直接还原铁产量的限制,我国电炉钢所占粗钢产量的比例与世界水平差距甚大,见表2.1。
表2.12000~2005年世界主要产钢过电炉钢比例 (%)
国家
年份
世界
日本
美国
韩国
德国
印度
中国
2000
33.7
28.8
46.8
42.8
28.7
32.1
15.9
2001
35.1
27.6
47.4
43.6
29.3
42.5
15.9
2002
33.9
27.1
50.7
45.2
29.3
42.7
16.7
2003
34.0
26.4
48.9
44.8
30.0
45.6
17.6
2004
33.2
26.4
53.6
43.9
30.7
43.8
15.2
2005
31.7
25.6
55.0
44.1
30.7
44.9
11.7
全球炼钢用废钢消耗水平平均为吨钢400~500kg,我国吨钢消耗废钢量自2000年以来,逐年降低(见表2),至2006年仅为160kg/t。
2007年,我国社会废钢产生量为4200万吨,钢铁企业自产废钢约3000万吨,加上铸造、设备制造、小五金行业和小钢厂的用料,废钢缺口约1000万吨。
1~8月份总共只进口了废钢202万吨,而且8月份进口普通废钢价格已达到491美元/吨。
我国废钢应用及资源情况见表2.2、2.3。
表2.22000~2006年废钢应用统计表
年份
粗钢
生铁
矿石
废钢总量
炼钢消耗
废钢单耗
万吨
万吨
万吨
万吨
万吨
kg/t
2000
12850
13101
22256
3597
2920
227
2001
15163
15554
21701
4210
3440
226
2002
18225
17079
23262
4413
3920
215
2003
22241
21378
26272
5475
4820
217
2004
27471
25674
31131
5858
5430
191
2005
35579
34473
42049
6985
6330
178
2006
42102
41364
58817
8349
6720
160
表2.32000~2006年废钢资源统计表 单位:
万吨
年份
自产废钢
社会采购
进口废钢
进口海绵铁
2000
1299
1788
510
-
2001
1334
1897
979
70
2002
1344
2284
785
130
2003
1530
3216
945
168
2004
1700
3300
1023
156
2005
2220
3675
1014
75
2006
2750
3800
538
31
直接还原铁产量是炼钢特别是电炉炼钢的重要原料。
2007年全世界直接还原铁产量估计为6340万t,约为粗钢产量的4.7%;我国的直接还原铁产量估计50万吨/年,只为粗钢产量的0.1%。
如果按全世界平均的4.7%计算,我国直接还原铁需求在2000万吨以上。
我国虽然是世界第一产钢大国,但却还不是钢铁强国,钢铁产品在国际市场上竞争力不强,在钢材品种和质量方面,还不能适应国民经济的发展要求,2007年1~8月我国进口钢材1155万吨,主要是高品质钢种的钢材产品。
直接还原铁较之废钢化学成分稳定,有害元素少,因而是生产高品质钢不可缺少的重要原料。
随着我国国民经济的持续快速发展,高品质钢的需求量必将逐年增加,加快发展我国直接还原铁技术及产业规模,提供电炉炼钢优质铁料,并补充我国废钢的不足,将是势所必然。
2.3直接还原转底炉技术
2.3.1关键技术基本情况
集团公司组织多名国内燃烧、冶金、工业炉、机械设计、自动控制、热工材料等领域的技术专家,跟踪国际国内直接还原技术发展前沿,对铁矿石直接还原反应的原理和化学动力学机理、直接还原转底炉蓄热式烧嘴设计、转底炉设计、转底炉无氧化加热计算及气流流体动力学计算等诸多领域开展理论及实验研究,取得了一系列突破性进展。
并已取得了成功业绩,率先实现了“采用蓄热式烧嘴燃烧技术的铁矿石煤基直接还原转底炉”技术路线。
2.3.2知识产权情况
集团公司拥有蓄热式高温空气燃烧技术的自主知识产权,在气泡雾化燃烧器、蓄热式烧嘴、换向装置、电子点火器等关键技术上拥有17项国家实用新型专利;集团公司转底炉直接还原技术已获国家发明专利。
2.3.3工艺技术特点及优势
2.3.3.1工艺技术特点
“采用蓄热式烧嘴燃烧技术的铁矿石煤基直接还原转底炉”技术路线的主要特点:
采用煤基还原工艺,还原炉采用转底炉,燃料采用低热值煤气,这条工艺路线切合我国国情,而且有重大创新。
采用蓄热式烧嘴燃烧技术,使得烧低热值煤气也能达到1400℃以上高炉温的还原工艺要求,并能控制好炉内的还原气氛,打破了目前国外直接还原转底炉必须使用天然气等高热值燃料的常规。
采用此项技术,可使转底炉直接还原工艺的在国内条件下工业化生产带来积极推动作用。
该工艺的主要特点是:
.还原焙烧的物料是含碳球团矿,矿粉和煤粉之间紧密接触,给快速还原提供了良好条件;
.还原焙烧工艺是薄料层在高温敞焰中加热,实现快速还原。
炉料在炉内还原时间短;
.球团矿在转底炉里焙烧过程中不受压,炉料与炉衬之间无相对运动,因此对球团矿的强度要求不高,不会产生料团附壁“结圈”现象;
2.3.3.2技术优势
直接还原法生产,有气基还原法和煤基还原法两种方法。
气基还原法的还原剂采用天然气,缺少天然气资源的地区难于推广。
煤基还原法采用煤或焦炭作为还原剂,还原剂取材方便。
我国天然气资源不多,而煤炭资源丰富,因此煤基还原法适合在我国推广应用。
还原炉内炉料加热升温和还原反应要吸收大量热量,直接还原生产能源消耗较高。
蓄热式烧嘴燃烧技术,利用从炉子排出的废气预热助燃空气,在炉温1350℃的条件下,空气预热温度可高达1100℃,从蓄热式烧嘴排出的废气温度可降到200℃以下,实现了废气余热的极限回收,因此采用蓄热式烧嘴燃烧技术是最有效的节能措施。
此外,蓄热式烧嘴燃烧技术还解决了高温炉使用低热值燃料的技术可行性问题。
混合煤气(热值6000KJ/m3)用冷空气助燃,理论燃烧温度只有1700℃左右,实际炉温只能达到1190℃,远达不到直接还原工艺炉温1350℃的要求。
即使采用金属换热器将空气预热到500℃,理论燃烧温度达到1850℃,实际炉温也只有1295℃,仍然达不到1350℃的要求。
金属换热器由于受材料工作温度的限制,空气预热温度难比500℃再高。
而采用蓄热式燃烧技术,热交换器是陶瓷材料,其允许的工作温度比金属材料高得多,因此可将助燃空气预热到1000℃以上,混合煤气的理论燃烧温度可达2050℃以上,实际炉温可达1435℃以上,则满足工艺需要有余。
因此采用蓄热式烧嘴燃烧技术可使烧低热值煤气如何达到工艺要求炉温的问题迎刃而解。
在直接还原转底炉中采用蓄热式烧嘴燃烧技术,既可以减少煤气消耗,又能解决低热值煤气的燃烧温度问题,具有双重意义,是最佳可选方案。
直接还原转底炉中补充燃料采用低热值煤气,突破了国外同类炉子采用高热值煤气(天然气)的常规。
蓄热式燃烧技术
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