一、研究的背景與問題
鐵礦石為鋼鐵工業(yè)最重要原材料，是國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，其保障程度事關國家總體安全。我國鐵礦石資源稟賦差、難利用，長期大量依賴進口，進口量連續(xù)多年超10億噸，對外依存度持續(xù)超過80%。復雜的國際形勢導致鐵礦石價格暴漲，2021年我國鐵礦石進口總額高達1.2萬億，占我國進口總額的7%，這已成為我國鋼鐵工業(yè)安全運行的重大隱患。
我國查明鐵礦資源儲量達852.19億噸，但復雜難選鐵礦資源所占比例較高，僅微細粒赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等典型復雜難選鐵礦石儲量達200億噸以上，部分國外權益礦山復雜難選鐵礦石儲量高達300億噸以上。該類鐵礦資源品位低、礦物組成復雜、嵌布粒度微細，采用常規(guī)選礦技術無法獲得較好的技術經(jīng)濟指標，大部分復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)，但選礦工藝復雜、成本高，回收率僅能達到60%～65%，部分排巖礦和尾礦中鐵含量高，缺乏高效利用技術。磁化焙燒是處理復雜難選鐵礦石最為有效的技術，常規(guī)磁化焙燒方式有豎爐焙燒、回轉窯焙燒。但均存在以下問題：1）多種鐵礦物同步磁化，反應差異大、效果差；2）物料加熱和還原在同一爐腔內進行，還原氣氛弱、效率低；3）人造磁鐵礦矯頑力大，磁選指標差，且冷卻過程無法高效回收潛熱。因而，研發(fā)自主創(chuàng)新技術，實現(xiàn)我國復雜難選鐵礦石高效清潔利用，強化我國鐵礦資源保障能力，具有重要的戰(zhàn)略意義。
二、解決問題的思路與技術方案
東北大學韓躍新教授項目團隊針對常規(guī)磁化焙燒工藝加熱與還原同腔同步進行，導致還原氣氛弱、效率低、質量差的缺陷，提出了懸浮態(tài)下鐵物相分段精準調控新思路，即第一階段將復雜難選鐵礦石在氧化氣氛下加熱，通過精準控制反應條件，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；褐鐵礦脫水反應和菱鐵礦分解反應在礦物顆粒內部生成大量的微孔和裂隙，提高了還原反應活性；第二階段停止加熱，通入還原劑創(chuàng)造強還原氣氛，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；第三階段冷卻過程適時風冷再氧化物相精準控制，將部分磁鐵礦轉化為磁赤鐵礦同步釋放潛熱，物料與冷風對流高效換熱，其潛熱和顯熱以熱風形式返回系統(tǒng)循環(huán)利用。同時提出了“異步分腔蓄熱還原”、“非均質礦石顆粒懸浮態(tài)還原裝置”等技術方案，項目總體思路見圖1。
圖1項目總體技術思路
三、主要創(chuàng)新性成果
1、創(chuàng)建了復雜難選鐵礦石“物相分段精準調控”強化分選等基礎理論，為復雜難選鐵礦石高效清潔利用奠定了理論基礎。
探明了復雜難選鐵礦石中赤鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦的化學反應特性差異是常規(guī)磁化焙燒效果差的本質原因，創(chuàng)建了“物相分段精準調控”新理論；研究發(fā)現(xiàn)鐵礦物還原反應的活性中心為表面的空洞、裂隙及礦物界面，進而提出還原反應前進行加熱預處理，使礦物分解和膨脹以增加氣孔、裂隙，進而增多活性中心，提高鐵礦物的還原速率，結合“物相分段精準調控”過程，建立了“加熱致裂強化還原”新理論；揭示了磁鐵礦冷卻過程向磁赤鐵礦轉化機制，創(chuàng)造性提出適時風冷精準調控強化分選同步回收潛熱新理論。
2、發(fā)明了復雜難選鐵礦石“預氧化-蓄熱還原-再氧化”多段懸浮磁化焙燒新技術，實現(xiàn)了懸浮磁化焙燒過程中鐵礦物物相轉化的精準控制。
基于“物相分段精準調控”、“加熱致裂強化還原”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、冷卻過程再氧化多段懸浮磁化焙燒新技術，研發(fā)了微型和間歇式懸浮磁化焙燒試驗設備。通過系統(tǒng)的實驗室研究，建立了主要鐵礦物多元多相反應熱力學基礎，揭示了復雜難選鐵礦石“預氧化—蓄熱還原—再氧化”懸浮磁化焙燒熱力學機制，探明了各階段鐵礦物物相轉化規(guī)律，建立了懸浮磁化焙燒過程動力學模型并確定了反應限制性環(huán)節(jié)，獲得了焙燒物料礦相精準調控機制，解決制約懸浮磁化焙燒過程控制和焙燒產(chǎn)品高效分選的基礎性科學問題。
3、發(fā)明了復雜難選鐵礦石非均質顆粒流態(tài)化蓄熱還原反應器，突破了鐵礦石由塊狀磁化焙燒轉變?yōu)榧毩Ａ鲬B(tài)化高效還原的技術壁壘
基于懸浮流場中蓄熱還原理論與技術需求，創(chuàng)造性的設計出兼具還原和密封雙重功能的U型還原反應器，鐵礦石依靠重力自松動室頂部進入U型反應器，經(jīng)底部水平孔口進入還原室，反應器底部通入還原氣制造懸浮流場和強還原氣氛，還原產(chǎn)品自還原室頂部排出；調整松動室參數(shù)控制高度形成料封，有效阻止還原氣沿松動室逆向流動，形成非機械自鎖密封閥保障連續(xù)安全運行，根據(jù)處理能力及氣氛要求可設計為多腔室結構或串聯(lián)使用。建立了新型還原反應器內氣固流動數(shù)學模型，探明多因素對礦石顆粒及氣體流動特性的耦合影響規(guī)律，通過冷態(tài)試驗驗證了模型的可靠性；采用數(shù)值模擬實現(xiàn)了反應器運行過程的可視化，闡明了關鍵參數(shù)對氣固兩相流動特性的影響規(guī)律，為核心還原反應器的結構優(yōu)化、工程放大和安全運行提供了理論支撐。
4、研發(fā)了復雜難選鐵礦石懸浮磁化焙燒高效清潔利用系列化裝備，首次實現(xiàn)復雜難選鐵礦石流態(tài)化連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，引領世界鐵礦選礦領域重大技術革命
基于上述理論、關鍵技術及反應器方面的創(chuàng)新成果，研發(fā)理論3000噸/年中試系統(tǒng)，并針對行業(yè)共性化、企業(yè)個性化需求，開發(fā)了復雜難選鐵礦石NEUH系列懸浮磁化焙燒高效清潔利用裝備。
新型裝備負壓運行，由給料預熱系統(tǒng)、加熱預氧化系統(tǒng)、蓄熱還原系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、除塵及動力系統(tǒng)等組成。粉狀鐵礦石經(jīng)兩級預熱后進入加熱腔，與熱風進行高效氣固換熱，數(shù)秒后隨熱風進入氣固分離器完成加熱及預氧化，煙氣進入預熱系統(tǒng)循環(huán)利用；粉礦進入新型還原反應器利用自身蓄熱完成還原；還原物料進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熱系統(tǒng)，實現(xiàn)了熱量的高效回收利用。該技術能耗約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，具有低碳高效、清潔環(huán)保、智能化控制等特點。
東北大學采用懸浮磁化焙燒中試系統(tǒng)，先后完成酒鋼集團塊礦、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鐵礦等國內外20余種鐵礦石的試驗研究。部分國內外各大重點礦山企業(yè)應用技術指標對比如表1所示。
表1應用技術指標對比（%）
由表1可知，采用懸浮磁化焙燒新技術處理復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)異技術指標，鐵回收率較現(xiàn)有工藝均提高15個百分點以上，預計可盤活難選鐵礦資源200億噸以上。
四、復雜難選鐵礦石懸浮磁化焙燒工程應用情況
1、酒鋼集團粉礦165萬噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
酒鋼集團采用東北大學研發(fā)的懸浮磁化焙燒技術處理以鏡鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦為主的酒鋼粉礦，以酒鋼高爐和焦爐煤氣為氣源，建成了全球首臺165萬噸/年的生產(chǎn)線（圖3），2020年10月實現(xiàn)達產(chǎn)達標，獲得了金屬回收率為89.64%的優(yōu)異技術指標，與之前的強磁工藝相比較，與原強磁選工藝相比，鐵品位提高12.48個百分點，鐵回收率提高26.03個百分點，年創(chuàng)綜合效益高達5.82億元。科技成果評價為國際領先技術！
2、遼寧三和贊比亞含鐵錳礦60萬噸/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研發(fā)的懸浮磁化焙燒技術處理含鐵錳礦石，建成了海外首臺60萬噸/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)異技術指標，年創(chuàng)經(jīng)濟效益約3.0億元。
3、海南礦業(yè)230萬噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
東北大學針對海南礦業(yè)石碌鐵礦特點，研發(fā)了預選脫硫-懸浮磁化焙燒-磁選全組分利用新技術，中試獲得了鐵精礦品位65.68%、鐵回收率85.56%的優(yōu)異技術指標，較現(xiàn)有工藝鐵精礦品位提高了3個百分點，鐵回收率提高了20個百分點。本項目產(chǎn)生的鐵尾礦活性大，是優(yōu)質的水泥原料，可被相鄰水泥廠全額消納，進而消除固廢占地和環(huán)境污染，實現(xiàn)海南礦業(yè)石碌鐵礦的無尾選礦，社會、環(huán)境效益顯著，對全國的大型金屬礦山也具有引領示范作用。海南礦業(yè)230萬噸/年懸浮磁化焙燒示范工程項目已于2021年11月動工建設，預計2023年3月份投產(chǎn)。
4、逢石科技（葫蘆島）200萬噸/年懸浮磁化焙燒示范工程
巴西、東南亞及非洲等國外礦企及我國權益礦山中復雜難選鐵礦石儲量達數(shù)百億噸，受國外礦產(chǎn)地建設條件所限，鐵品位50%-55%礦石按廢石排棄，造成資源巨大浪費。
逢石科技公司依托海外復雜難選鐵礦資源，規(guī)劃在國內沿海及海外建設多條懸浮磁化焙燒工程，不僅盤活數(shù)百億噸權益礦山，還提高進口礦石入爐品位，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）200萬噸/年懸浮磁化焙燒示范工程已完成可行性研究、能評、環(huán)評等相關手續(xù)。項目利用當?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，實現(xiàn)全組分利用，達到當?shù)仄髽I(yè)優(yōu)勢互補，互利共贏的目的。項目計劃2022年底投產(chǎn)，預計年產(chǎn)高品質鐵精礦150-160萬噸，具有巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。
