侧吹浸没燃烧熔炼技术(SSC)在红土镍矿领域的应用及展望

2018-12-25陈学刚裴忠冶代文彬徐小锋王书晓

中国有色冶金 2018年6期

陈学刚，裴忠冶，代文彬，徐小锋，崔沐，余跃，王书晓

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 引言

目前，红土镍矿现有火法主要处理工艺包括RKEF工艺、回转窑直接还原镍铁工艺和小高炉冶炼工艺。

RKEF工艺最早由美国Elkem公司开发并应用于工业生产，目前是国内外大型镍铁冶炼首选工艺。该工艺主要分为干燥、焙烧- 预还原、电炉熔炼、精炼等几个工序，RKEF工艺缺点是无法回收镍矿中的钴，对钴含量较高的氧化镍矿并不适用。另外，由于工艺能耗高，适宜于处理镍含量大于2%、钴含量小于0.05%的矿石，且要求当地要有充沛的电力或燃料供应[1]。

回转窑直接还原镍铁工艺最初为德国Krupp-Renn直接还原炼铁工艺移植转化而来，日本大江山冶炼厂早在20世纪30年代开始利用回转窑直接还原工艺生产镍铁。其主要工艺过程为原矿经干燥、破碎、筛分处理→与熔剂、还原剂按比例混合制团→团矿经干燥和高温还原焙烧生成海绵状的镍铁合金→合金与渣的混合物经水淬冷却、破碎、筛分、磁选或重选等处理得到粗镍铁粒。此工艺历时80年的发展经历，仅在日本大江山冶炼厂(Ohiyama Smelter)有生产性实践应用。国内很多研究机构和企业都进行了回转窑直接还原镍铁的试验和研究工作，仍未突破给料方式复杂、回转窑结圈、处理量低、难以规模化等问题[2]。

小高炉处理红土镍矿工艺是最早出现的红土镍矿冶炼镍铁的技术。采用高炉法生产镍合金工艺流程为湿红土镍矿→生石灰拌矿干燥→配料烧结→破碎筛分→高炉熔炼→浇铸→镍铁，上述为中国采用小高炉冶炼工艺生产镍铁的主流工艺路线。由于高炉冶炼镍铁技术存在原料适应性差高炉无法大型化、环境污染严重和能源消耗高(需要焦炭)等问题，随着焦炭价位回归合理，镍价下跌和新环保法实施，大部分高炉炼镍铁厂已经停产[3]。

为解决当前处理红土镍矿特别是低品位红土镍矿成本高，电力依赖性高、环境差、难以规模化生产等问题，中国恩菲工程技术有限公司根据近年发展的侧吹浸没燃烧熔池熔炼技术(Side-Submerged Combustion Smelting Process, SSC技术)在有色金属工业的成功生产实践，提出富氧侧吹煤粉熔融还原红土镍矿的新型冶炼工艺[4-5]。

1 富氧侧吹煤粉熔融还原红土镍矿技术

1.1 技术描述

富氧粉煤侧吹还原技术是以多通道侧吹喷枪以亚音速向熔池内喷入富氧空气和燃料(天然气、发生炉煤气、粉煤)，熔池中的物料由于受到鼓风的强烈搅动作用，快速浸没于熔体之中，完成物理化学反应的一种用于处理不发热物料的强化熔池熔炼技术。

此技术特别适合红土镍矿的处理。熔池剧烈的鼓泡和液态渣的翻滚，产生了巨大的反应界面，铁和镍氧化物被加热、熔化和还原，还原生成镍铁水沉降分离，进入喷枪口以下的静止渣层，在重力的作用下，渣铁开始分离。从而在炉缸的上部形成了一层基本不含铁的渣层，镍铁水则沉积在炉子底部，当到一定量后从铁口放出。矿石中的脉石(SiO2、MgO、Al2O3、CaO等)熔化后，生成具有良好性能的液态炉渣，从排放渣口放出。

1.2 技术特点

1.2.1 原料来源广泛、物料制备简单

可处理不同类型的红土镍矿，原料备料简单，块矿和粉矿均能使用。由于红土镍矿难以浮选，为原生矿，其含有20%～35%的游离水和结合水。采用富氧侧吹煤粉熔融还原红土镍矿，仅需进行初步干燥至含物理水10%(或蒸汽深度干燥至含物理水0.3%)，直接加入侧吹炉中进行熔化还原熔炼，省去了传统工艺烧结、预还原等工序。

1.2.2 作业率高、安全性好

富氧侧吹煤粉熔融还原炉墙为二层结构形式，从内到外为耐火砖、铜水套。耐火材料起隔热作用，减少炉子的热损失；铜水套和内衬砖的结构有利于冷却和挂渣，大大延长了炉子寿命。

1.2.3 炉内还原度可控、镍铁分离好、运行成本低

侧吹工艺炉渣FeO含量控制在5%～20%之间，炉内熔池处于适宜的还原强度，有利于镍和铁的选择还原。如果原料为低镁高铁型，渣中含FeO量高以后，渣系主要为铁橄榄石渣型，该渣型温度低，需配料中添加菱镁矿将渣系转化为FeO-MgO-SiO2三元系，提高渣的温至1 500～1 550 ℃，以实现镍铁的选择性还原，有利于得到高品位的镍铁。

1.2.4 氧气浓度高、热利用率高

富氧侧吹煤粉熔融还原工艺核心部件为侧吹喷枪。侧吹喷枪可喷吹富氧空气和煤粉，富氧浓度达70%～90%，冶炼废气量小，烟气热损失小。通过侧吹喷枪直接向熔体内部补热，燃料直接在熔体内燃烧，放出热量全部被熔体吸收，加热速度快，热量利用率高，可以快速有效调节熔池温度。

新工艺处理红土镍矿产生的高温烟气中含30%～35%的CO，在余热锅炉上升烟道鼓入氧气或空气进行强还原性烟气的二次燃烧，燃烧率可达95%以上(该工艺已在有色冶炼高锌铅渣烟化炉上成功应用)，产生的热量通过余热锅炉回收，产生的蒸汽可进行发电和送到其他蒸汽用点，使余热得到充分利用。

1.2.5 镍铁有害元素含量少

由于其独特的浸没燃烧熔炼机理，镍铁合金中的有害杂质较高炉和电炉工艺杂质含量少，主要表现在以下几方面。

(1)镍铁中不含硅(Si)。采用高炉工艺和电炉工艺处理红土镍矿得到的粗镍铁合金中，硅含量一般为2%～4.5%，而采用新型富氧侧吹煤粉熔融还原技术，由于其属于熔池熔炼，温度控制在1 450～1 550 ℃，炉渣中FeO含量通常控制在5%～20%，SiO2会迅速与FeO氧化造渣，因此新工艺生产的镍铁水不含硅。不锈钢厂可以利用新工艺生产的镍铁中不含硅这一特点进行低硅铁水操作，可减少渣量，并降低造渣剂的消耗量。

(2)脱磷(P)能力强。高炉法和电炉法处理红土镍矿无法使用高磷原料，熔炼过程中磷几乎100%进入粗镍铁中。富氧侧吹煤粉熔融还原技术脱磷能力强，可适当放宽原料含磷的限制，拓宽原料来源和降低成本。红土镍矿、还原煤以及辅料中的磷在熔炼过程中，侧吹煤粉喷枪将煤粉喷入高铁渣熔池中，原料中少量的磷被碳还原成单质P4挥发进入烟气，剩余磷绝大部分进入渣中，镍铁基本不含磷，主要化学反应见式(1)。

2(CaO)3·P2O5+3SiO2+10C=
4P+3(CaO)2·SiO2+10CO

(1)

(3)粗镍铁含硫(S)量低。富氧侧吹煤粉熔融还原技术具有比高炉强的脱硫能力。在侧吹炉内，煤在熔池中高温分解时，挥发份中的大部分硫直接进入烟气，而只有很少一部分在向铁渗碳时进入铁液；红土镍矿原料中的硫在熔炼时进入炉渣；由于新工艺为强化熔池熔炼，炉中熔渣被强烈搅拌，铁滴和熔渣得以充分混合，加强了渣铁间的脱硫效果，因此，进入铁的硫，大部分被熔渣所吸收，因此进入镍铁中的硫大为减少，减少脱硫带来的额外费用。

1.2.6 能源结构合理，燃料适应性强

与传统烧结矿- 高炉熔炼工艺相比，富氧侧吹煤粉熔融还原工艺处理红土镍矿新工艺特征：不需使用焦炭或焦煤；可使用广泛的煤种；有利于环保和降低成本。必要时也可用天然气或其他燃料来代替煤粉，新工艺特别适合在基础设施薄弱、电力供应缺乏的国家地区建厂，不受能源结构限制。

1.2.7 炉内氧势控制灵活

可以通过调节氧气量和加煤量来灵活调节炉内熔池氧化还原氛围，还可通过添加还原煤、调整渣型来实现镍和铁两种元素的选择性还原。

1.2.8 环境友好

富氧侧吹煤粉熔融还原工艺省去了传统高炉工艺处理红土镍矿所必需的烧结或球团等造块工序，大大降低了有害物质的排放，环境友好。

1.2.9 丰富的工程设计和生产实践经验

富氧侧吹煤粉熔融还原工艺中的核心技术为侧吹炉本体和侧吹喷枪，侧吹炉体和喷枪已应用在有色金属行业，液态铅渣还原和锌渣处理，中国恩菲已积累了多个有色冶炼项目侧吹浸没燃烧熔池熔炼炉处理冷料(氧化矿、酸浸渣)和热料生产厂项目的设计总包及投产工程经验。

2 工艺流程

新建全新富氧煤粉侧吹还原工艺处理红土镍矿生产厂，全厂工艺流程见图1。

红土镍矿原矿含物理水约33%左右，红土镍矿首先进入以粉煤为燃料的干燥窑进行初步脱水，将物理含水降为15%。然后经过破碎筛分，将干燥后的红土镍矿加入到回转焙烧窑中进行深度干燥焙烧。

来自干矿料仓的干燥后红土镍矿、还原煤、熔剂及循环熔炼烟尘通过厂房内配备的圆盘制粒机制粒后，由胶带输送机送入炉前料仓，经定量给料机、移动式胶带输送机连续送入侧吹浸没燃烧炉内。

富氧空气(约70%)和粉煤通过经炉体两侧的浸没燃烧喷枪鼓入熔池中，浸没式燃烧火焰直接接触熔体，同时喷吹的富氧空气和煤粉搅动熔池，强化熔池的传热加速了反应，使红土镍矿物料快速熔化，还原粒煤从炉顶加入对高镍熔渣还原。

控制炉内空气过剩系数α=0.6～0.7，90%～95%镍和40%～50%的铁被还原形成镍铁合金，其与杂质和脉石造渣形成炉渣，控制炉渣含镍小于0.1%。如炉渣含镍较高，则停止加料，加大还原煤量进行贫化处理，达标后排放。炉内渣层达到一定厚度后，(渣含Ni<0.1%)从位于侧吹炉一端的渣虹吸口半连续地排出，放渣温度为1 500 ℃。炉渣经过水淬后由汽车运至渣堆场外售。

约1 400 ℃熔融态粗镍铁合金由侧吹炉另一端两个放出口中的一个定期放出铸锭外卖，金属放出口采用泥炮开口机。

侧吹炉产生的高温烟气在炉体上部及上升烟道漏风，将烟气中CO二次燃烧后，经余热锅炉回收余热，产生蒸汽送余热发电。通过沉尘室及布袋收尘器除尘后，烟气送尾气脱硫系统处理，烟尘倒运返回侧吹熔炼配料。

全新富氧煤粉侧吹还原工艺处理红土镍矿工艺特点：①采用粉煤和煤，成本低；②烟气利用余热锅炉回收余热，特别是二次燃烧热。得到的蒸汽可用作发电或其他生产用途；③镍铁品位控制灵活。

图1 侧吹浸没燃烧熔炼处理红土镍矿工艺流程

3 渣型选择

冶炼的本质其实就是在炼渣，渣型的好坏直接决定了工艺的好坏。

红土镍矿主要分为褐铁矿型和硅镁镍矿型两种。褐铁矿类型红土镍矿组成特点是：含Fe较高，一般40%～50%，MgO 0～5% , SiO210%～30%；硅镁镍矿型红土镍矿组成特点是：含Fe较低，一般15%～30%，含MgO 15%～35%，SiO210%～30%。采用还原熔炼工艺后，由于该法属于熔池熔炼，可通过改变炉内的还原氛围实现镍铁的选择性还原性。由于金属镍熔点为1 450 ℃，冶炼熔渣温度必须在该温度以上。

根据上述原则，红土镍矿熔池熔炼工艺处理红土镍矿的冶炼渣型如下所述。

3.1 褐铁矿型红土镍矿冶炼渣型

该类型红土镍矿石中，主要成分含量大致为FeO 55%、MgO 5%、SiO29%。

如产品要求制备高品位镍铁，则要求铁的还原度较低，约50%～60%，造成渣中含FeO较高，约30%，渣系主要为FeO-SiO2铁橄榄石渣，该渣型熔点低，无法实现镍铁的熔池熔炼。因此为提高渣的熔点，配料添加白云石或菱镁矿将渣系转化为FeO-MgO-SiO2三元系，提高渣的熔点>1 500 ℃，以实现镍铁的选择性还原，有利于得到高品位的镍铁。典型的渣型为：FeO 20%～30%，MgO 20%～30%，SiO2约40%。

如产品要求制备低品位镍铁，则铁和镍的还原度高达95%以上，炉渣中主要成分为SiO2和少量的MgO，在熔池熔炼条件下，配料添加石灰石将渣系转化为CaO-MgO-SiO2三元系，提高渣的熔点>1 450 ℃，以实现铁的充分还原，得到较高铁回收率。典型的渣型为：CaO约40%，MgO约10%，SiO2约33%，Al2O3<15%。

3.2 硅镁镍矿型红土镍矿冶炼渣型

该类型红土镍矿石中，主要成分为两种，一种为低镁型，另一种为高镁型。

硅镁镍矿通常含镍较高，一般在1.4%以上，通常制取高品位镍铁，因此应控制工艺条件为镍最高还原率和铁最低还原率。

对于上述两种硅镁镍矿类型的红土镍矿渣型，主要控制MgO/SiO2=0.5～0.75，FeO 10%～25%。通过配料添加白云石或菱镁矿将炉渣组成转化为FeO-MgO-SiO2三元渣系，控制渣温1 500～1 550 ℃，以实现镍铁的选择性还原。

由于电炉采用电极加热，因此其特别适应高熔点渣型，允许使用高镁渣型，熔点可达1 600 ℃以上。

采用高炉冶炼红土镍矿则对渣型要求较高，由于红土镍矿主要成分为低铁、低钙，高镁高硅的特殊性，特别是MgO含量较高而CaO含量较低，造渣制度难以参照现代高炉炼铁工艺的造渣制度，否则渣量将过大，能耗将非常高，同时改变了高炉内部熔融态渣和铁水的体积比，造成渣层过厚，热量难以传到炉缸下部，引起液态镍铁温度低不易流出。因此根据渣型特点，很好解释了为何高炉仅能适应高铁低镁类型红土镍矿。对高炉来讲，其液态渣一旦落入熔池便无法还原，同时意味着Fe/Ni值无法调整，而采用侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理红土镍矿则不会出现该问题。

侧吹浸没燃烧熔炼属于强化熔池熔炼工艺，通过喷枪浸没于液态渣层中，对渣层进行搅拌。通过调整还原煤加入量，可方便的调整炉渣中铁的还原度，镍铁品位可根据需求灵活调整。同时由于侧吹炉可灵活调节金属层和渣层的厚度，对渣和镍铁金属量比有宽泛的适应性。

4 工程案例

从侧吹浸没燃烧熔池熔炼的长期性、稳定性以及获得经济指标的先进性等方面考察，其大规模工业化条件已经成熟，再加上投资的节约性及配置的紧凑性，采用富氧侧吹煤粉熔融还原工艺处理红土镍矿前景是乐观的，该技术将是传统红土镍矿工艺升级改造的首选技术。

现以建设一座年处理50万t红土镍矿(干基)规模工厂，冶炼原料选取典型红土镍矿(干矿含镍1.8%)为例，简要分析其产品规模、原辅材料及工艺流程、设施配备、投资估算及主要经济评价指标。

4.1 生产规模及要求

镍铁： 50 000 t/a；品位：16%。

4.2 原料、燃料及辅助材料

以高品位红土镍矿为原料，燃料为粉煤和块煤，辅助材料主要为石灰石。

年需要红土镍矿50万t(干基)，其主要成分见表1。红土镍矿含自由水33%，结晶水10%，矿石粒度≤100 mm。

表1 红土镍矿成份 %

还原煤与煤粉均采用同一种褐煤，每公斤最低发热量18.96 MJ，其主要成分见表2。

表2 褐煤成分 %

4.3 工程设施及主要设备

富氧侧吹煤粉还原炉：50 m2；余热锅炉：60 t/h(蒸发量)P=4.4 MPa；氧气站：深冷，15 000 Nm3/h，P=0.6 MPa。

4.4 主要技术经济指标

采用侧吹浸没燃烧熔池熔炼工艺处理Ni 1.8%红土镍矿主要技术指标见表3。

4.5 与其他火法冶炼工艺加工成本对比

采用相同原料和价格体系对不同工艺处理Ni 1.8%红土镍矿成本进行了对比，计算结果见表4。

通过表4可看出，同一红土镍矿采用侧吹浸没燃烧工艺，与其他电炉和高炉工艺相比，成本有较大优势。侧吹工艺成本低的主要原因：仅使用廉价的褐煤或烟煤；采用高富氧操作，烟气带走热量大为减少；冶炼工艺为熔池熔炼工艺，反应速率快，床能率高。

结合新工艺的成本优势，又对比传统上使用湿法工艺处理的含镍1%的低品位红土镍矿进行了侧吹浸没燃烧工艺成本核算，见表5。

根据核算结果，其吨镍直接加工成本约58 698.37元，相较传统工艺电炉法和高炉法具有较大的成本优势，并提供了一种处理含镍低于1.4%红土镍矿先进的、经济的火法冶炼工艺。

表3 Ni1.8%红土镍矿主要技术指标

表4 Ni 1.8%红土镍矿不同工艺处理成本对比

5 新技术应用前景展望

侧吹浸没式燃烧熔池熔炼工艺(SSC技术)在有色金属工业已有较多成功生产实践，富氧侧吹煤粉熔融还原工艺具有工厂建设投资省、金属回收率高、产品成本低、资源综合利用水平高、综合能耗低、作业环境优良等优点。该技术可扩展应用在以下几个方面：①铜渣处理，用于制备含铜不锈钢的铁铜合金原料；②含铬原料的处理，与红土镍矿搭配制备特种不锈钢原料；③其他不发热的含铁、镍、铬等二次固废的高温火法熔融处理和有价金属的回收。