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“钢铁冶金循环经济产业技术”研究梯队
发布时间:2011-5-20    立即打印    

梯队负责人郭占成 教授

梯队成员:郭占成,薛庆国,王静松沈少波,唐惠庆

梯队简介

随着世界工业化的高速发展,全球范围内资源、能源日渐紧张,生态环境形势日趋严俊,而钢铁冶金是一个高能耗、重污染、资源消耗大的行业,因此研究开发钢铁冶金循环经济产业技术,对于钢铁行业节能减排、提高资源利用率、改善环境具有重在现实意义。本研究梯队主要研究领域:◆冶金粉尘高效循环利用技术,◆冶金炉渣高附加值循环利用技术,◆基于CO2减排的全氧高炉炼铁技术,◆高能耗重污染化工冶金行业群环境友好链接技术◆高炉喷煤催化助燃节能技术,◆煤/焦炉气共转化制备炼铁直接还原气技术,◆高磷矿熔融还原炼铁技术。此外,本研究梯队也致力于研究开发冶金新工艺新技术,如:◆熔盐电化学钛冶金技术,◆多晶硅制备技术,◆金属熔体电脉冲辅助凝固技术◆超重力冶金技术。

代表性研究内容与成果简介:

1)转底炉处理钢铁冶金粉尘循环利用技术

钢铁冶金过程粉尘产生量约占钢铁产量的10%,原料中Zn,Pb,K,Na富集于粉尘,粉尘返回烧结的利用方式存在如下问题:烧结矿强度降低、炼铁碱负荷增加,烧结机透气性降低、产能减小,高炉炉衬寿命缩短,Zn,Pb,K,Na资源浪费。冶金粉尘含碳球团直接还原,不仅可实现粉尘Fe、C资源的利用,而且可有效分离Zn,Pb,K,Na,并使其资源化利用。

   在转底炉工艺条件下,球团金属化率达到80%以上时,Zn、Pb、K的脱除率达90%以上,Na也可脱除70%左右。金属化球团可作为高炉炼铁原料,二次粉尘可进一步分离回收ZnO和KCl。

2)钢铁冶金富K粉尘循环利用技术

钢铁生产过程原料中的K集中富积于烧结电除灰粉尘,主要以KCl形态存在,其含量一般在20%左右,该类粉尘产生量4kg/t铁左右。由于K含量高,冶金过程难于循环利用,目前主要是排放弃用,不仅资源浪费,而且二次污染。

中国是一个钾资源严重短缺国家,对外依存度高达80%。钾肥生产的主要原料是KCl。据估算,目前全国钢铁生产烧结电除尘灰富K粉尘的钾资源量相当于国产钾肥所需的钾资源量。另外,随着转底炉处理冶金粉尘的技术应用,二次富K粉尘数量越来越多,远期测算,冶金粉尘经济可利用K资源可以满足我国钾肥消费所需K资源量的50%左右。

由于粉尘中的K主要以KCl形态存在,因此很容易水浸淬取分离,KCl饱和淬取液净化除杂后,利用钢铁厂蒸汽或废气余热蒸发结晶,可制得工业氯化钾产品。淬取分离后的尾渣可作为炼铁烧结原料。

3)冶金炉渣为原料制备消音材料

随着机动交通的高速发展,特别是城市铁路和高速速铁路的发展,交通噪音对人们生活的影响越来越大,广泛应用吸声材料防治噪音日渐重要。由于目前的有机消音材料耐久性差,而金属消音材料成本高,交通噪音未能广泛防治。目前对于交通噪音的防治只是在噪音严重的近居民区采取隔音措施,隔音不能有效地消除噪音,只能缓减噪音的影响。国外对城交通噪音,特别是高铁噪音多采用多孔性无机矿物质材料防治。

我国每年产生2亿吨左右的冶金渣,其中炼铁水渣1.5亿吨左右。虽然炼铁水渣可应作水泥原料,但其附加值很低。由于炼铁水渣孔隙度大、稳定性好,因此可加工成型为消音材料,是交通噪音防治的廉价耐用吸声材料,为解决城市交通噪音,特别是高铁噪音防治提供物质基础。

试验表明,由炼铁水渣压制-烧结而成的消音材料,在常见噪声波段内,其吸声系数可达0.8左右,是一种良好的吸声材料;材料抗压强度达到10Mpa以上,达到一般非撑重使用要求;水溶性稳定性良好,长时间浸泡,未见粉化现象,力学和吸声性能没有明显变化。

4)铁合金-电石-氯碱-PVC行业群环境友好链接技术

系统集成是建立循环经济的最有效途径。铁合金、电石、氯碱、PVC生产是高能耗、重污染行业,一般集中在电力丰富的地区,形成一个行业群。研究开发这一行业群的环境友好链接技术对于循环经济的建设具有重要意义。

硅铁是钢铁生产消费量最多的铁合金,我国硅铁产量占世界产量的50%以上。硅铁生产中产生大量活性硅微粉,其数量是硅铁量的10%左右。硅微粉活性很高,室温下便可与NaOH水溶液反应生成水玻璃,水玻璃经CO2碳化,可沉淀析出白碳黑,尾液蒸发结晶可得Na2CO3.利用这一行业群的废弃物生产白碳黑具有显著的经济性。

主要化学反应过程包括:

溶解反应 

2NaOH+SiO2Na2SiO3 +H2O

碳化反应  

Na2SiO3+CO2Na2CO3+H2SiO3

水解反应

H2SiO3SiO2.nH2O

白碳黑是橡胶材料、涂料、造纸、电子封装、化装品的添加剂,具有广泛的用途。

5)高炉喷煤催化助燃节能技术

高炉炼铁喷煤是钢铁冶金节能减排的重要措施。然而。由于煤粉在高炉风口区停留时间很短,燃烧不充分,大量喷煤产生如下问题:粉尘C含量高,能耗高;未燃尽煤粉半焦被软融带过滤,发生强吸热直接还原反应,致使软熔带透气性差,生产效率降低。催化燃烧可高粉煤燃烧速度,改善高炉透气性,实现节能增产目的。

采用水热合成、表面改性制备的纳微米钙基稀土复合催化助燃剂,经200m3、1500m3、2600m3高炉炼铁喷煤催化助燃工业试验,无烟煤或混合煤添加0.5%的催化助化燃剂,吨铁喷煤150kg左右时,高炉炼铁综合焦比降低10kg左右,高炉产能提高1%左右。

6)铁粉矿流态化气体还原技术

低品位、复合共生矿资源的利用是解决我国铁矿石资源安全稳定供给的根本。随着铁矿原料由块矿向粉矿的转变,流化床气体还原炼铁在解决资源利用与节能环保方面将具有竞争力。流态化还原炼铁的技术瓶颈是粘点结失流问题;对于共生矿,多组分的分离也是一个关键问题。通过铁矿还原过程微观结构演变规律和气/固两相流流动规律的研究,揭示铁矿粉流态化还原粘结失流机理,可望掌握控制粘结失流的条件; 通过还原铁粉加热过程颗粒内微观相态重构的研究,以期掌握共生矿还原铁粉的渣-铁高效分离关键技术参数。

借助于高温热台显微镜和可视流化床,并结合其它先进检测技术,揭示颗粒在还原和熔分过程中的结构演变规律和相态重构规律,获得抑制铁矿粉还原过程粘结失流的条件及多组分高效熔分的条件。

研究结果对于解决铁粉矿流化床还原粘结失流及复合矿炼铁技术开发具有重要意义。

7)煤-焦炉气共气化生产冶金直接还原气

全球直接还原铁已保持连续近20年的增长,2007年达6000多万吨,预计2010年将达7500万吨。直接还原工艺主要以气基法为主,即以天然气为能源和还原气原料,其产量占直接还原铁总产量的85%以上。中国直接还原铁产量缺口较大,一个主要原因是天然气资源不足。要想增加我国直接还原铁产量应首先解决气源问题。

随着冶金节能技术水平的提高,钢铁企业的焦炉煤气开始过剩。目前,一个年产100万吨焦炭的焦化厂,其焦炉煤气产生量达35000m3/h左右。如果采用煤-焦炉气-氧气-水蒸汽联合气化,这些焦炉煤气转化后,每年可生产直接还原铁150万吨左右。

工艺技术原理:天然气-水蒸汽重整制还原气是强吸热反应,需要输入能量而煤气化制还原气是放热反应,需要输出过剩能量。二者合理地结合起来---天然气(焦炉煤气)共气化,不仅可实现能量互补、节约能源,而且可灵活调整还原气的组成。

/焦炉煤气共气化生产直接还原气,工艺设备可采用传统的炼铁高炉设备或液态排渣TEXCOLURGY煤气化炉。

用天然气代替焦炉煤气,产气量100Nm3/h级的移动床热态模拟试验结果表明,控制煤气出口温度1000oC左右,煤-天然气(焦炉气)共气化生产直接还原气技术路线可行,CH4转化率高,煤气有效成分(CO+H2)大于90%H2/CO可控。焦炉煤气比天然气更容易转化,该工艺适合钢铁联合企业采用过剩焦炉煤气生产直接还原铁。

8)电脉冲孕育处理技术

利用外加物理场改善金属的凝固组织及性能是目前金属材料制备领域的研究热点之一,所采用外场包括电场、磁场、超声波等,其中,近年来新发展的电流处理技术已引起了人们的广泛关注。通过对金属熔体施加电场可以产生细化金属凝固组织,提高金属材料性能的效果,已为众多研究者所证实。根据不同研究者施加电场时间的不同,上述研究可以分为两类,第一类是在整个金属凝固过程中,特别是在金属熔体温度处于两相区之之间,通过向金属施加电流来改变其凝固组织,施加的电流可以是直流电、交流电、脉冲电流,目前采用最多的是脉冲形式的电流。这类研究工作一般被称之为脉冲电流技术或电脉冲处理(简称为EPT)。另外一类是在金属完全处于液态的情况下,利用脉冲电流对金属熔体进行处理,以改善金属的凝固组织,称之为电脉冲孕育处理技术(简称为EPM)。本梯队所开展的研究工作为电脉冲孕育处理技术.

采用电脉冲孕育处理技术,针对不同金属材料开展了大量研究工作,特别是在铝合金、铸铁、铜合金以及钢等的电脉冲孕育处理研究中均获得重要结果。下图为含硅14.6%的过共晶铝硅合金电脉冲处理前后的扫描电镜照片。未处理时凝固组织为正常过共晶凝固组织,存在大量的初生硅相,经电脉冲孕育处理30秒后,凝固组织中初生硅相消失。通过DSC分析可以发现,经电脉冲孕育处理后过共晶成分的铝硅合金初生硅相消失,完全按照共晶方式进行凝固,上述结果表明电脉冲孕育处理对铝硅合金熔体的作用效果明显。

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