回转窑-矿热炉(RKEF)冶炼镍铁工艺的烟气处理

周俊华

摘要：在回转窑-矿热炉冶炼工艺中，烟气处理系统是一个非常重要的组成部分。它在红土镍矿中的作用非常关键，工艺流程中包括预热干燥处理、焙烧预还原反应以及矿热炉熔炼等环节。由于烟气处理系统所需的运行条件比较高，系统自身的工艺特点落后，对日益扩大的冶炼生产能力的企业适应型较弱，因此需对设备进行转型升级开展优化处理。本文就回转窑-矿热炉冶炼工艺的烟气处理系统进行工艺流程简介和优化设计论证，并对优化设计的最终成效进行评估，旨促进烟气处理系统改造升级，提高运行效率和安全稳定性，为企业创收。

关键词：回转窑-矿热炉（PKEF）；冶炼镍铁工艺；氧化脱硫、烟气处理

红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但目前世界范围内比较成熟的利用红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以火法冶炼为主。在火法冶炼过程中，冶炼烟气经利用回转窑-矿热炉冶炼工艺开展红土镍矿的冶炼生产，通过对矿产中的氧化铁主要成分氧化实施还原和分离，得到铁矿和镍矿的生产方法。这种冶炼工艺的烟气处理系统优化设计期间，主要内容包括重力除尘、旋风除尘器、电收尘、系统风机以及脱硝系统、脱硫系统。通过优化设计和改造升级，烟气处理系统结构更加紧凑，密封性能更加优良，运行更加安全稳定，企业节约物料消耗量同时降低生产成本，污染物经过处理后达到国家达标排放标准排放。

1RKEF工艺概述

RKEF是回转窑-矿热炉冶炼工艺的英文字母缩写，回转窑横向筒体平直且长，长径比达到1:10至1:20[1]，以传动齿轮驱动系统和多组托辊轴承轮轴进行滚动支撑，设备体量大而相对制作难度比较小，设备产量大易操作。它的工艺流程非常复杂，主要包括预热、干燥、焙烧、预还原以及矿热炉熔炼等处理环节。

1.1预热干燥流程。红土镍矿冶炼生产线上，用于干燥处理的干燥窑规格尺寸可根据企业生产规模选择不同大小的回转窑，矿石原料由胶带输送机向处理厂房内部的干燥窑内输送，回转窑的烟气以及矿热炉产生的温度，是干燥系统的能量来源[2]，混合烟气经过加热能够达到450℃到750℃度的高温。

1.2焙烧和预还原流程。用于焙烧和预还原两道工序的回转窑数量共4台（规格：φ4.6m×110m），它们的用途是把残存在矿料内的结晶水以及自由水进行再处理，把其中包含的铁矿以及镍矿选择性还原出来。其中还原焙烧作业区的温度条件可达1100℃~1300℃，卸料时的物料温度能够接近摄氏750℃，卸料入窑头仓；

1.3矿热炉熔炼流程。负责熔炼处理的矿热炉为交流式，熔炼处理期间由于焙砂要求严格控制加料点以及添加量，所以必须谨慎操作，确保炉内的焙砂料层，有利于促进炉顶降温，炉况趋稳且实现高效运行。熔炼处理过的焙砂经过再还原，会得到粗镍铁，它们经由矿热炉到达钢水包，再装入钢包车向浇铸车间运送。

2烟气处理工艺比选

回转窑排出的窑尾烟气中，烟尘、二氧化硫以及氮氧化物为主要组成成分，它们和电炉烟气一起接受旋风除尘器、电收尘的净化处理，共同到达SCR完成脱硝处理，在干燥窑中得到使用。干燥窑尾气处理的方式是旋风除尘、外加双室四电场静电除尘、湿法脱硫，再经由排气筒向外排放。这些烟气温度很高，不宜通过布袋式除尘，原因在于高温烟气带来的烘烤效应过大会缩短布袋的使用寿命，所以才采取前文所述除尘方式，实现包括氮氧化物、二氧化硫以及烟尘等在内的污染物实现达标排放。

2.1遴选脱硝工艺

烟气脱硝技术应用中，目前应用比较广泛的的SCR（催化还原法）和SNCR（选择性非催化还原法）2种。目前全世界用于专门脱硝以及脱硝脱硫共用的设施，算上刚刚启动的也超过100套，其中就包括70套喷氨SCR装置，它的优点在于运行过程安全可靠，可以达到超过90%的脱硝率。相比之下SNCR装置虽无须投入大量成本但是用氨量超高且脱硝脱硫率很差，因此以SCR脱硝工艺为上佳之选。SCR脱硝工艺中，将氨气喷入烟气，起到还原剂的作用，促进催化剂即使在工作温度300℃至400℃区间，也可以把氮氧化物污染物实现还原，生成的水和氮气变为无害物质。SCR脱硝技术应用没有还原剂是无法发挥效力的，目前氨水、尿素以及液氨是通用的主要还原剂类型。选用还原剂的主要考量因素包括占地面积，还有配套设施投资、安全管理、运行以及风险等方面的成本投入。目前尿素制氨是最为安全可靠的方法，缺陷是投资及运行成本也最大。纯氨在运行及投资方面的投入最低，但是需要高压存储，安全风险太大。氨水在成本开支和安全性方面居于二者中间。经过多方考量，还原剂拟选取氨水，经济适用性以及技术操作都非常切实可行。

2.2遴选脱硫工艺

脱硫工艺种类达几十种，按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫分为：湿法、半干法、干法三大类脱硫工艺。湿法脱硫技术较为成熟，效率高，操作简单。

2.2.1传统以石灰石-石膏湿法脱硫、炉内喷钙加尾部增湿活化以及循环流化床法法烟气脱硫等技术类型为主。石灰石--石膏湿法脱硫技术的优点在于高效脱硫，石灰石用作吸收剂有丰富的矿源，取材容易且成本不高，脱硫处理衍生的副产品可用于水泥缓冲剂以及制作石膏的原料

。

2.2.2新型脱硫工艺原理[3]：氧化法脱硫是利用企业生产过程中电收尘氧化金属粉尘粉物料加水制备成悬浮矿浆，在吸收设备中与烟气中的SO2接触，利用MeO与SO2间的化学反应，将烟气中SO2以亚硫酸盐和硫酸盐的形式予以脱除。浆液可再用酸性分解方法提取较纯二氧化硫进行制酸处理，渣可干化并入主系统生产处理，形成工业企业生产原材料使用。新湿法脱硫工艺特点如下：

1）高效脱硫，吸收剂可高效利用。烟气经氧化剂湿法脱硫处理，形成亚硫酸盐体系还能够润洗烟尘，即处理了二氧化硫、也使烟尘含量大幅下降，成为环保生产处理的亮点；

2)成本不高。湿式脱硫氧化剂脱硫是主要吸收剂，可自产，最终吸收产物可回到生产系统使用，不仅品质优良且成本低廉，可节大量运行成本，易于普及推广；但是它成熟的技术体系，高效脱硫和极高的吸收剂利用率，加之副产品综合利用效益和快速发展的前景，在全球脱硫工艺中成为突出的生产工艺，应用广泛，而且它的工艺系统还在持续优化、简化以及改进之中。

2.3矿热炉烟气性能[4]

  矿热炉冶炼产生的烟气有很高含碳量，加以挖掘利用能够扩大能源供应途径，直接排放就会成为废气污染源。它的主要化学组分及性能参数如下：烟气产量1000Nm³/tFe，一氧化碳接近75%含量，烷类物质接近0%到5%含量，二氧化碳接近3%到10%含量，氢气接近6%含量，发热值接近2000~2500kcal/m³，烟气温度接近600℃。而高炉煤气产量每吨铁接近2500m³，热值接近700kcal/m³，二者相较矿热炉煤气产量更低且热值更高，如果能够加以合理回收利用，可以达到变废为宝的目的。

3优化设计烟气处理系统

3.1旋风除尘器的优化设计

烟气由SCR脱硝系统负责处理，为了保证处理作业期间温度条件达标，须对回转窑以及电炉内的烟气进行余热锅炉降温处理，以促使温度控制在300~350℃的合理区间。混合烟气中粉尘含量浓度极高，若是直接向脱硝反应器输送，可能会使催化剂失去应有的效力，因此对烟气必须实施预除尘处理。这些含尘烟气温度极高，它们经由进风口到达旋风除尘器，于内筒以及外筒双筒内呈螺旋式运动。含尘烟气在内筒的运动方式为圆周式，运动期间会有离心力产生，离心力再对尘粒施加作用，气流中的尘粒进而得以分离出来，在器壁上被捕集，再于重力作用影响下掉落到灰斗内，完成净化的气体由内筒向上升后最终外排，由此大颗粒粉尘得到充分分离，期间也会发挥部分阻火效能。除尘器为满足高效除尘需要而进行优化设计，会促使结构愈加紧凑，密封性能更好，进出口烟道以及除尘器都必须进行保温层布设，用以维护烟气温度条件。除尘器和它的附件，以及前后烟道和它的附件经过优化设计，都可达到理想的耐高温性能。

3.2脱硝系统的优化设计

炉外SCR技术，是目前脱硝系统性能最高效，且能够长期维持系统稳定运行的技术类型，脱硝期间所用还原剂选择氨水。每一个炉都要布设脱硝装置一套，而且都于旋风除尘器后面配备反应器一台。脱硝装置匹配回转窑烟气单一走向，匹配一个氨水供应系统。反应器内部须布设2+1层催化器，可通过声波吹灰形式完成吹扫处理。要求结合高灰工况的实际运行特点开展优化设计，具体做法是把喷氨格栅加设于反应器入口，达到均匀喷氨的成效，促进氨气充分混合烟气，实现高效脱硝且阻遏氨水外逃，降低后续系统处理设备潜在的腐蚀风险。

3.3系统风机的优化设计

要保证脱硝系统内部、回转窑、干燥机以及电炉烟气保持负压状态，主要依靠干燥收尘处理过的风机。但干燥窑无法保证窑头密封性能符合冶炼要求，这个部位的负压会大量吸入空气，由此会加大系统中的风量，增加风机的生产能耗的同时推高系统自身和运行过程的成本开支，也给脱硫效果带来不利影响。优化设计方案中，于干燥窑窑头加装密封罩，布设主抽风机以及增压风机，达到降低干燥窑因窑头漏风带来的不利因素，为风机减压起到一定作用。

3.4脱硫系统的优化设计

氧化法脱硫是利用企业生产过程中电收尘氧化金属粉尘粉物料加水制备成悬浮矿浆，在吸收设备中与烟气中的SO2接触，利用MeO与SO2间的化学反应，将烟气中SO2以亚硫酸盐和硫酸盐的形式予以脱除[5]。吸收塔内部的传热、传质以及反应效率，直接受浆液以及烟气流速的具体分布状况所影响，在优化设计中，把一层托盘加设于入口烟道、脱硫塔最底层以及喷淋层结构之间，使吸收塔内部烟气达到一个理想的均匀分布状况，防止发生偏流等不利问题。以三级屋脊式高效除雾器，取代原有的落后除雾器，保证除雾器出口部位雾滴含量达标（小于等于20mg/Nm³）。这种设计有利于提高吸收塔的喷淋功能，配合喷嘴覆盖率、二次雾化成效以及提效环的共同使用，保证脱硫系统实现高效洗涤脱除。

4优化设计的成效评估

烟气处理系统经过上述优化设计后，从目前已经取得的成效来看，脱硝入口温度控制于300~350℃之间。由于对旋风除尘器、电除尘器实施了预除尘，催化剂可以使用更长的时间，而且目前92.3%的脱硝效率非常理想。烟气处理系统经过优化设计，二氧化硫可以达到

98%-99%的脱除率，烟尘脱除率达90%以上，烟气外排二氧化硫浓度、粉尘以及氮氧化物远远低于国控排放标准。通过处理效率和实际费用之间的专业转换测算，最终数据显示，烟气处理系统经过优化设计，可以节约接近20%的物料消耗量，而且系统可降低接近15%的运行成本，取得了非常理想的成效，为企业创造了很多经济效益。

结束语综上所述，中国的镍矿资源非常匮乏，对进口的依赖性很大，因此逐渐兴起从红土镍矿中代为提取镍矿的冶炼生产工艺。其中，回转窑-矿热炉冶炼工艺的应用非常广泛，这种工艺又缩写为PKEF法，它的烟气处理系统构造非常复杂，工艺流程比较繁琐，而且从目前的冶炼生产需要来看，传统的石灰-石膏烟气处理系统的产能和工艺已经非常落后，急需通过优化设计提升产能，降低污染物排放，达到降本增效的目的。很多相关企业已经加大了对回转窑-矿热炉的烟气处理系统实施优化设计，落实技术改造升级，以便早日实现节能环保，低投入，高产出，创造更高经济效益的目标。

参考文献

[1] JB∕T 8916-2017 回转窑

[2]刘鹏,李宝宽,吴文远.基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件[J].工程科学学报,2015,37(7):10.DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.006.

[3]蒙自矿冶有限责任有限公司 焙烧车间工艺操作工程 2022.3.31

[4]张书维,刘晨,刘洪松,等.RKEF法冶炼镍铁中电炉煤气回收利用装:CN201711153888.2[P].CN107746974A[2023-07-03].

[5]刘博书，李航.氧化锌脱硫剂研究进“《中国化工贸易.上旬刊》2020年第07期