一、研究的背景與問(wèn)題
鐵礦石為鋼鐵工業(yè)最重要原材料，是國(guó)家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，其保障程度事關(guān)國(guó)家總體安全。我國(guó)鐵礦石資源稟賦差、難利用，長(zhǎng)期大量依賴進(jìn)口，進(jìn)口量連續(xù)多年超10億噸，對(duì)外依存度持續(xù)超過(guò)80%。復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)導(dǎo)致鐵礦石價(jià)格暴漲，2021年我國(guó)鐵礦石進(jìn)口總額高達(dá)1.2萬(wàn)億，占我國(guó)進(jìn)口總額的7%，這已成為我國(guó)鋼鐵工業(yè)安全運(yùn)行的重大隱患。
我國(guó)查明鐵礦資源儲(chǔ)量達(dá)852.19億噸，但復(fù)雜難選鐵礦資源所占比例較高，僅微細(xì)粒赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等典型復(fù)雜難選鐵礦石儲(chǔ)量達(dá)200億噸以上，部分國(guó)外權(quán)益礦山復(fù)雜難選鐵礦石儲(chǔ)量高達(dá)300億噸以上。該類鐵礦資源品位低、礦物組成復(fù)雜、嵌布粒度微細(xì)，采用常規(guī)選礦技術(shù)無(wú)法獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，大部分復(fù)雜難選鐵礦資源尚未工業(yè)化開發(fā)利用，少量資源雖得以開發(fā)，但選礦工藝復(fù)雜、成本高，回收率僅能達(dá)到60%～65%，部分排巖礦和尾礦中鐵含量高，缺乏高效利用技術(shù)。磁化焙燒是處理復(fù)雜難選鐵礦石最為有效的技術(shù)，常規(guī)磁化焙燒方式有豎爐焙燒、回轉(zhuǎn)窯焙燒。但均存在以下問(wèn)題：1）多種鐵礦物同步磁化，反應(yīng)差異大、效果差；2）物料加熱和還原在同一爐腔內(nèi)進(jìn)行，還原氣氛弱、效率低；3）人造磁鐵礦矯頑力大，磁選指標(biāo)差，且冷卻過(guò)程無(wú)法高效回收潛熱。因而，研發(fā)自主創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)復(fù)雜難選鐵礦石高效清潔利用，強(qiáng)化我國(guó)鐵礦資源保障能力，具有重要的戰(zhàn)略意義。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
東北大學(xué)韓躍新教授項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)常規(guī)磁化焙燒工藝加熱與還原同腔同步進(jìn)行，導(dǎo)致還原氣氛弱、效率低、質(zhì)量差的缺陷，提出了懸浮態(tài)下鐵物相分段精準(zhǔn)調(diào)控新思路，即第一階段將復(fù)雜難選鐵礦石在氧化氣氛下加熱，通過(guò)精準(zhǔn)控制反應(yīng)條件，將褐鐵礦、菱鐵礦氧化或分解為赤鐵礦和磁鐵礦，提高了物料均一性；褐鐵礦脫水反應(yīng)和菱鐵礦分解反應(yīng)在礦物顆粒內(nèi)部生成大量的微孔和裂隙，提高了還原反應(yīng)活性；第二階段停止加熱，通入還原劑創(chuàng)造強(qiáng)還原氣氛，利用礦石自身蓄熱使赤鐵礦懸浮態(tài)下快速還原為磁鐵礦；第三階段冷卻過(guò)程適時(shí)風(fēng)冷再氧化物相精準(zhǔn)控制，將部分磁鐵礦轉(zhuǎn)化為磁赤鐵礦同步釋放潛熱，物料與冷風(fēng)對(duì)流高效換熱，其潛熱和顯熱以熱風(fēng)形式返回系統(tǒng)循環(huán)利用。同時(shí)提出了“異步分腔蓄熱還原”、“非均質(zhì)礦石顆粒懸浮態(tài)還原裝置”等技術(shù)方案，項(xiàng)目總體思路見(jiàn)圖1。
圖1項(xiàng)目總體技術(shù)思路
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、創(chuàng)建了復(fù)雜難選鐵礦石“物相分段精準(zhǔn)調(diào)控”強(qiáng)化分選等基礎(chǔ)理論，為復(fù)雜難選鐵礦石高效清潔利用奠定了理論基礎(chǔ)。
探明了復(fù)雜難選鐵礦石中赤鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦的化學(xué)反應(yīng)特性差異是常規(guī)磁化焙燒效果差的本質(zhì)原因，創(chuàng)建了“物相分段精準(zhǔn)調(diào)控”新理論；研究發(fā)現(xiàn)鐵礦物還原反應(yīng)的活性中心為表面的空洞、裂隙及礦物界面，進(jìn)而提出還原反應(yīng)前進(jìn)行加熱預(yù)處理，使礦物分解和膨脹以增加氣孔、裂隙，進(jìn)而增多活性中心，提高鐵礦物的還原速率，結(jié)合“物相分段精準(zhǔn)調(diào)控”過(guò)程，建立了“加熱致裂強(qiáng)化還原”新理論；揭示了磁鐵礦冷卻過(guò)程向磁赤鐵礦轉(zhuǎn)化機(jī)制，創(chuàng)造性提出適時(shí)風(fēng)冷精準(zhǔn)調(diào)控強(qiáng)化分選同步回收潛熱新理論。
2、發(fā)明了復(fù)雜難選鐵礦石“預(yù)氧化-蓄熱還原-再氧化”多段懸浮磁化焙燒新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了懸浮磁化焙燒過(guò)程中鐵礦物物相轉(zhuǎn)化的精準(zhǔn)控制。
基于“物相分段精準(zhǔn)調(diào)控”、“加熱致裂強(qiáng)化還原”和“再氧化同步回收潛熱”理論體系，發(fā)明了以鐵礦石顆粒自身作為熱載體，加熱與還原異步分腔、冷卻過(guò)程再氧化多段懸浮磁化焙燒新技術(shù)，研發(fā)了微型和間歇式懸浮磁化焙燒試驗(yàn)設(shè)備。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究，建立了主要鐵礦物多元多相反應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)，揭示了復(fù)雜難選鐵礦石“預(yù)氧化—蓄熱還原—再氧化”懸浮磁化焙燒熱力學(xué)機(jī)制，探明了各階段鐵礦物物相轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立了懸浮磁化焙燒過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型并確定了反應(yīng)限制性環(huán)節(jié)，獲得了焙燒物料礦相精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制，解決制約懸浮磁化焙燒過(guò)程控制和焙燒產(chǎn)品高效分選的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題。
3、發(fā)明了復(fù)雜難選鐵礦石非均質(zhì)顆粒流態(tài)化蓄熱還原反應(yīng)器，突破了鐵礦石由塊狀磁化焙燒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)粒流態(tài)化高效還原的技術(shù)壁壘
基于懸浮流場(chǎng)中蓄熱還原理論與技術(shù)需求，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出兼具還原和密封雙重功能的U型還原反應(yīng)器，鐵礦石依靠重力自松動(dòng)室頂部進(jìn)入U(xiǎn)型反應(yīng)器，經(jīng)底部水平孔口進(jìn)入還原室，反應(yīng)器底部通入還原氣制造懸浮流場(chǎng)和強(qiáng)還原氣氛，還原產(chǎn)品自還原室頂部排出；調(diào)整松動(dòng)室參數(shù)控制高度形成料封，有效阻止還原氣沿松動(dòng)室逆向流動(dòng)，形成非機(jī)械自鎖密封閥保障連續(xù)安全運(yùn)行，根據(jù)處理能力及氣氛要求可設(shè)計(jì)為多腔室結(jié)構(gòu)或串聯(lián)使用。建立了新型還原反應(yīng)器內(nèi)氣固流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，探明多因素對(duì)礦石顆粒及氣體流動(dòng)特性的耦合影響規(guī)律，通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性；采用數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程的可視化，闡明了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣固兩相流動(dòng)特性的影響規(guī)律，為核心還原反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工程放大和安全運(yùn)行提供了理論支撐。
4、研發(fā)了復(fù)雜難選鐵礦石懸浮磁化焙燒高效清潔利用系列化裝備，首次實(shí)現(xiàn)復(fù)雜難選鐵礦石流態(tài)化連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，引領(lǐng)世界鐵礦選礦領(lǐng)域重大技術(shù)革命
基于上述理論、關(guān)鍵技術(shù)及反應(yīng)器方面的創(chuàng)新成果，研發(fā)理論3000噸/年中試系統(tǒng)，并針對(duì)行業(yè)共性化、企業(yè)個(gè)性化需求，開發(fā)了復(fù)雜難選鐵礦石NEUH系列懸浮磁化焙燒高效清潔利用裝備。
新型裝備負(fù)壓運(yùn)行，由給料預(yù)熱系統(tǒng)、加熱預(yù)氧化系統(tǒng)、蓄熱還原系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、除塵及動(dòng)力系統(tǒng)等組成。粉狀鐵礦石經(jīng)兩級(jí)預(yù)熱后進(jìn)入加熱腔，與熱風(fēng)進(jìn)行高效氣固換熱，數(shù)秒后隨熱風(fēng)進(jìn)入氣固分離器完成加熱及預(yù)氧化，煙氣進(jìn)入預(yù)熱系統(tǒng)循環(huán)利用；粉礦進(jìn)入新型還原反應(yīng)器利用自身蓄熱完成還原；還原物料進(jìn)入冷卻器與空氣換熱，完成冷卻同步再氧化，大量潛熱和顯熱被空氣帶回預(yù)熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了熱量的高效回收利用。該技術(shù)能耗約1.0-1.19GJ/t，較常規(guī)焙燒噸精礦能耗降低20%以上；可實(shí)現(xiàn)粉塵濃度≤10mg/Nm3、二氧化硫≤35ppm、氮氧化物≤50ppm的超低排放指標(biāo)，具有低碳高效、清潔環(huán)保、智能化控制等特點(diǎn)。
東北大學(xué)采用懸浮磁化焙燒中試系統(tǒng)，先后完成酒鋼集團(tuán)塊礦、海南礦業(yè)綜合樣、山鋼塞礦綜合礦樣、山鋼塞礦DSO尾礦、遼寧三和贊比亞鐵錳礦、阿爾及利亞Gara鐵礦等國(guó)內(nèi)外20余種鐵礦石的試驗(yàn)研究。部分國(guó)內(nèi)外各大重點(diǎn)礦山企業(yè)應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。
表1應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)對(duì)比（%）
由表1可知，采用懸浮磁化焙燒新技術(shù)處理復(fù)雜難選鐵礦石和鐵尾礦、排巖等固廢，獲得了鐵精礦TFe品位60%～68%，作業(yè)回收率85%～97%的優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)，鐵回收率較現(xiàn)有工藝均提高15個(gè)百分點(diǎn)以上，預(yù)計(jì)可盤活難選鐵礦資源200億噸以上。
四、復(fù)雜難選鐵礦石懸浮磁化焙燒工程應(yīng)用情況
1、酒鋼集團(tuán)粉礦165萬(wàn)噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
酒鋼集團(tuán)采用東北大學(xué)研發(fā)的懸浮磁化焙燒技術(shù)處理以鏡鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦為主的酒鋼粉礦，以酒鋼高爐和焦?fàn)t煤氣為氣源，建成了全球首臺(tái)165萬(wàn)噸/年的生產(chǎn)線（圖3），2020年10月實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，獲得了金屬回收率為89.64%的優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)，與之前的強(qiáng)磁工藝相比較，與原強(qiáng)磁選工藝相比，鐵品位提高12.48個(gè)百分點(diǎn)，鐵回收率提高26.03個(gè)百分點(diǎn)，年創(chuàng)綜合效益高達(dá)5.82億元。科技成果評(píng)價(jià)為國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)！
2、遼寧三和贊比亞含鐵錳礦60萬(wàn)噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
遼寧三和贊比亞公司采用東北大學(xué)研發(fā)的懸浮磁化焙燒技術(shù)處理含鐵錳礦石，建成了海外首臺(tái)60萬(wàn)噸/年含鐵錳礦石懸浮磁化焙燒示范工程，該工程于2020年12月建成投產(chǎn)，獲得了錳精礦Mn品位51.44%、Mn回收率86.45%，鐵精礦Fe品位65.49%、Fe回收率96.94%的優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益約3.0億元。
3、海南礦業(yè)230萬(wàn)噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
東北大學(xué)針對(duì)海南礦業(yè)石碌鐵礦特點(diǎn)，研發(fā)了預(yù)選脫硫-懸浮磁化焙燒-磁選全組分利用新技術(shù)，中試獲得了鐵精礦品位65.68%、鐵回收率85.56%的優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)，較現(xiàn)有工藝鐵精礦品位提高了3個(gè)百分點(diǎn)，鐵回收率提高了20個(gè)百分點(diǎn)。本項(xiàng)目產(chǎn)生的鐵尾礦活性大，是優(yōu)質(zhì)的水泥原料，可被相鄰水泥廠全額消納，進(jìn)而消除固廢占地和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)海南礦業(yè)石碌鐵礦的無(wú)尾選礦，社會(huì)、環(huán)境效益顯著，對(duì)全國(guó)的大型金屬礦山也具有引領(lǐng)示范作用。海南礦業(yè)230萬(wàn)噸/年懸浮磁化焙燒示范工程項(xiàng)目已于2021年11月動(dòng)工建設(shè)，預(yù)計(jì)2023年3月份投產(chǎn)。
4、逢石科技（葫蘆島）200萬(wàn)噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
巴西、東南亞及非洲等國(guó)外礦企及我國(guó)權(quán)益礦山中復(fù)雜難選鐵礦石儲(chǔ)量達(dá)數(shù)百億噸，受國(guó)外礦產(chǎn)地建設(shè)條件所限，鐵品位50%-55%礦石按廢石排棄，造成資源巨大浪費(fèi)。
逢石科技公司依托海外復(fù)雜難選鐵礦資源，規(guī)劃在國(guó)內(nèi)沿海及海外建設(shè)多條懸浮磁化焙燒工程，不僅盤活數(shù)百億噸權(quán)益礦山，還提高進(jìn)口礦石入爐品位，大幅度降低后續(xù)冶煉能耗及碳排放。其中逢石科技（葫蘆島）200萬(wàn)噸/年懸浮磁化焙燒示范工程已完成可行性研究、能評(píng)、環(huán)評(píng)等相關(guān)手續(xù)。項(xiàng)目利用當(dāng)?shù)鼗S富氫尾氣作為還原劑，低碳環(huán)保，尾礦作為水泥、免燒磚等諸多新型建材生產(chǎn)原料，實(shí)現(xiàn)全組分利用，達(dá)到當(dāng)?shù)仄髽I(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互利共贏的目的。項(xiàng)目計(jì)劃2022年底投產(chǎn)，預(yù)計(jì)年產(chǎn)高品質(zhì)鐵精礦150-160萬(wàn)噸，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
