HIsmelt熔融还原炼铁技术的工艺煤耗及生产实践

贾利军，汤彦玲

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南250101）

1 前言

高炉炼铁流程因受到焦煤资源和环保要求升级的影响，不适合我国钢铁行业可持续发展战略的要求。HIsmelt熔融还原炼铁因不用造成污染的炼焦和造块工艺，大大降低因焦化、烧结带来的二噁英、呋喃、焦油和酚的污染排放，是钢铁企业节能环保绿色转型、企业再造竞争新优势的最佳选择。HIsmelt炼铁工艺是已实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一，属于当今冶金领域前沿技术，经过30多年的研究开发和生产实践，工艺技术逐渐成熟。HIsmelt炼铁工艺技术采取喷射冶金方式生产液态生铁，流程短、成本低、污染小、铁水质量好，是解决我国焦煤资源贫乏和环保问题的先进炼铁技术，应用前景广阔。

2 HIsmelt工艺简介及特点

HIsmelt炼铁工艺是已实现工业化生产的熔融还原炼铁技术之一，属于当今冶金领域前沿技术，是典型非焦熔融还原炼铁工艺。其工艺流程如下：生产所需的铁矿粉、煤和熔剂等炉料在原料场堆存后，经原燃料输送系统输送到矿粉预热预还原系统、煤粉制备系统，在矿粉预热预还原内完成铁矿粉的预热预还原，被加热的铁矿粉经过热矿输送机进入热矿喷吹系统；原煤进入煤粉制备系统后，经过干燥破碎后进入煤粉喷吹系统，被加热的热矿粉和破碎后的煤粉分别经过各自的输送管道、水冷喷枪喷吹到熔融还原炉（简称SRV炉）内，其中煤粉喷入融池中后，煤开始裂解，碳元素溶于铁水中，矿石开始熔化并形成熔渣。铁水熔池中由于剧烈反应产生大量气体，在熔池中具有强烈的搅拌作用。由于熔池内的气体搅拌和顶部热风喷枪的射流，大量渣铁混合物被喷溅到熔池上部，形成过渡区，过渡区是发生还原反应及热传递的重要区域，对过渡区的控制是冶炼操作的核心部分。

生产的铁水经过前置炉排出，进入铁水罐，然后经铁水倒运装置依次经过铁水脱硫、铸铁机生产合格生铁。冶炼产生的熔渣经专用渣口排出，进入水渣粒化系统。

SRV炉生产的大量高温煤气经煤气室导出，依次进入汽化冷却烟道、高温旋风除尘器，进行降温及初除尘，降温后的半净煤气再进入余热锅炉，进一步回收煤气显热，降温后的煤气温度约200℃，进入煤气净化系统，完成最终净化，进入管网，供下游用户使用。汽化烟道和余热锅炉产生的饱和蒸汽，用于发电。

HIsmelt工艺特点：（1）工艺流程短、工厂建设相对简单、占地面积小。（2）操作简变、灵活，具有快速响应特性。（3）原料要求低、物料范围广，可使用低品质的矿粉和非焦煤。（4）铁水质量稳定、可生产低硅、低磷铁水。（5）环保优势明显，没有二次污染物排放，取消焦炉、烧结，基本遏制二噁英、呋喃、焦油和酚的污染排放。

3 SRV炉内的主要物理化学变化

3.1 SRV炉不同区域划分

HIsmelt工艺的核心是SRV炉，SRV炉由圆筒形钢壳、耐火材料和冷却设施组成，按照SRV炉内物料发生的物理化学变化及所处位置不同，将SRV炉分为铁浴区域、过渡区域和二次燃烧区域。

铁浴区域主要由高温铁水和熔渣构成，该区域主要完成入炉铁矿粉、煤粉的高温熔化、裂解以及溶解后的铁矿石与碳的还原反应，生成铁水，同时脉石、煤灰与溶剂熔化后形成熔渣。在该区域内因粒煤热解和生铁渗碳所含的碳元素的存在，形成还原性区域。

因煤粉的裂解和铁矿石的还原反应，产生大量还原性气体，由于气体搅拌和射流的作用，大量渣铁混合物被喷到熔池上部，形成泉涌或者喷溅的区域称为过渡区域。过渡区主要功能通过喷溅的渣铁液滴的上下涌动将二次燃烧区域产生的热量传递到铁浴区域内。因为该区域存在熔融后的矿粉部分还原的浮士体FeO的存在，以及在熔渣铁液滴喷溅回落过程中带入上部空间的氧，使得该区域上部属于氧化性气氛，而底部与铁水接触部位又因大量煤粉喷入的碳质材料的存在属于还原性气氛，因此也可认为是SRV炉内还原区与氧化区的隔离带，避免铁水的二次氧化。

在SRV炉的上部区域，铁矿石还原以及煤粉分解产生的还原性气体在该区域与热风携带入炉的氧气发生燃烧反应，由氧气、一氧化碳和氢气进行的燃烧的反应称之为二次燃烧（PC），该区域称为二次燃烧区，该区域主要功能通过燃烧提供大量的热量，保证SRV炉内的矿石还原反应、渣铁生产所需的热量。

3.2 SRV炉内主要化学反应

3.2.1 铁矿石的还原

在有预还原工艺存在的情况下，进入SRV炉熔池内的铁氧化物的形式取决于铁矿石的预还原度。在不同的预还原度下，进入SRV炉内的铁氧化物的形式如表1所示。

表1 不同预还原度对应的入炉铁矿物形式

根据各种铁氧化物的熔点及分解压相关知识可知，Fe2O3在进入SRV炉熔池的固体很容易被热分解或者被炉内的煤气还原成Fe3O4，因此，在SRV炉内的Fe2O3在熔化之前被还原成Fe3O4，而Fe3O4炉内被分解的可能性不存在，但却极易被煤气还原为FeO（s）或FeO（l）。

铁矿石在熔池中的还原反应式为（1）～（4）：

3.2.2 煤粉的分解及燃烧

随着煤粉喷入高温融池中，煤粉快速裂解析出挥发分，一部分碳元素溶于铁水中，而另一部分碳参与铁矿石的还原反应（4），生产CO气体与挥发产生的还原性气体在上升的过程中一部分参与铁矿石还原反应（1）～（3），绝大部分还原性气体进入二次燃烧区与从SRV炉顶部吹入的富氧空气燃烧，发生反应（5）、（6），产生的热量用来补充铁矿石还原吸收的热量，维持铁水熔池的热量平衡。

3.2.3 熔渣的形成

煤粉中的灰分、喷入炉内的溶剂以及脉石溶解后形成炉渣。

4 煤粉作用及消耗量

喷入SRV炉熔池中的煤粉的主要功能是提供SRV炉熔炼所需要的热量以及参与铁矿石的还原反应。下面就进入SRV炉的煤粉不同作用及流向做详细分析。

4.1 作为还原剂的煤粉

入炉的煤粉在铁水熔池内发生高温热解，热解过程中挥发出的CO、H2以及溶解产生的固定碳均不同程度的参与铁矿石的还原，而挥发分气体反应主要是气体在熔池内上浮过程与铁矿石的反应，结合前面分析，假设CO、H2主要参与赤铁矿、磁铁矿的还原，发生反应（1）（2），浮士体的还原全部由固定碳还原，发生反应（2），则生产1 t生铁理论需要碳量为214 kg。

4.2 提供热源

因为铁矿石溶解还原过程是吸热过程，所以在冶炼过程中需要不断向熔池内补充热量，而所需要的热量是由喷入煤粉中的挥发分CO、H2以及铁矿石还原生产的CO与氧气燃烧产生，二次燃烧产生的热量部分通过渣铁液滴的回落带入熔池，部分随着高温烟气排出SRV炉系统外，而被渣铁液滴带入熔池的热量作为进入熔池的有效热量，二次燃烧产生有效热量与总热量的比值成为传递效率（简称二次燃烧传热效率）直接影响SRV炉熔池温度和还原反应的发生。

当预还原度为1/3 h，铁矿石的主要成分为FeO，假设全部发生反应（4），生成1 t生铁需要吸收热量约为2.7 GJ，产生的CO（不包含挥发分中的CO）全部燃烧生成CO2，则放出的热量为2.5 GJ。可以看出燃烧产生的热量不足以维持熔融损失的热量，更何况需要考虑二次燃烧传热效率的影响，因此，需要更多的CO、C燃烧来维持熔池的所需的温度。

4.3 铁水中溶解碳

由实际生产及相关知识可知，在炼钢或者铸造生铁生产过程中，存在铁水渗碳的现象，在保持铁水温度为1450℃时，一般铁水中含碳量约4%，则生产1 t铁水渗碳量为40 kg。

4.4 熔渣中含碳量

在铁浴式熔融还原工艺中，由于渣层内熔融状态氧化铁的还原以及煤炭中挥发分的分解而产生大量气体，这些气体首先将其周围的熔渣撑开形成气泡，然后这些气泡上浮到渣层部，最后溢出渣层。由于熔渣表面张力的作用，有相当一部分气泡将在熔渣上部聚集，使得熔池的上部渣层变成泡沫状态。这一过程在熔融还原中被称作熔渣起泡，形成含大量气体的上部渣层即为泡沫渣，泡沫渣对于熔融还原生产极为不利。据相关文献说明以及HIsmelt的生产实践证明，熔渣中碳含量的对抑制泡沫渣的形成有利，当渣中碳量/渣量的重量比＜0.1时，熔渣会急剧起泡，而在矿石加入速度一定条件下，当具备了足以抑制起泡的碳量时，发现渣层厚度反而降低的现象。但是，当渣中碳量过多时（碳量/渣量＞0.3），二次燃烧率会下降。另外，顶吹氧的实验结果表明，若炭渣比＞0.1，炉渣体积增加一倍；若炭渣比＜0.1时，则炉渣的体积迅速升高，可见低润湿性的碳质材料够破坏泡沫的结构，或者是碳质材料通过建立新的CO气泡的同时，加速了泡沫的消失。

另外，Katayama等研究表明，渣中的碳材对传热传导起着重要的作用，理由是：1）石墨质的导热系数比泡沫渣和熔铁的大；2）石墨的黑度系数（粗糙表面约0.8）比熔渣（约0.65）和熔铁（约0.5）的大，更加有利于辐射热量的传导。

由此可见，熔渣中含有必要的碳量是很重要的，含碳量可以控制在炭渣比为0.1～0.3的范围内，有利于抑制泡沫渣，而且对二次燃烧率的控制有益。按照吨铁渣量400 kg考虑，则吨铁渣中含碳量应控制在40～120 kg。

4.5 未燃烧的碳量

入炉的煤粉除了以上4个方面的作用，剩余的碳量大部分随着SRV炉煤气作为炉尘带出，煤气带出煤粉量的大小直接影响SRV炉煤粉的用量及利用率。根据实际生产经验可知，经SRV炉带出的粉尘中碳含量较高，而其中的碳以半焦颗粒状存在，经沉降室、余热锅炉出来的半焦颗粒，主要成分见表2（灰分中含有其他炉渣成分）。根据现场实际粗略统计，进入煤气系统未然碳的数量约占入炉煤总量的5%。如此多的未然煤粉在SRV炉系统内循环，直接导致煤粉的利用率降低及能耗的增加，不符合节能减排的要求；另外因为煤气中含尘量（半焦）大，对后续工序废气罩、高温旋风除尘器、煤气洗涤和污泥系统的正常运行均造成不同程度的影响。因此分析研究SRV炉煤气中煤粉含量高的原因以及在操作中如何降低其含量，提高煤粉的燃烧及利用效率是非常必要的。

表2 SRV炉煤气中半焦成分分析（按照煤粉分析）

5 煤粉利用效率的影响因素

由铁浴式熔融还原物料平衡和热平衡可知，影响终还原能耗的主要因素有：铁矿石的预还原度、燃料的种类、二次燃烧率、二次燃烧率传热效率、燃料中H2/C比以及包含铁矿石品位、煤灰分、热损失等的其他因素。假定在原料品位及成分一定的情况下，且不考虑铁矿粉预还原度的影响，分析不同操作参数，包括热风喷枪安装高度、熔池内渣层厚度、操作压力等，对煤粉利用效率的影响。

5.1 热风喷枪的高度

根据文献得知［2］，当二次燃烧在渣层上面进行时，利用提高氧枪位可以提高二次燃烧率。渣中焦炭的燃烧量与氧枪枪位的关系：

lgA=const+1.36lgRe-0.59lg（L/d）。

式中：L为枪位的高度；d为喷枪直径；Re为氧流在喷嘴处的雷诺准数；A为渣中焦炭的燃烧量。

由上式可知，枪位越高，焦炭燃烧量越小，即二次燃烧率越高。

5.2 渣层厚度的影响

选取国内HIsmelt工厂实际生产中典型操作经验分析，在SRV炉排渣期前后以及出渣过程中二次燃烧率均有变化。具体表现为：选取压力相同条件下数值，在排渣开始之前一段时间内，随着冶炼的进行，炉内渣量逐渐增大，相应渣层厚度也增加，对应的二次燃烧率逐渐降低，在出渣过程中，SRV炉压力几乎不变，此时间段内随着出渣时间的延长，炉内渣层厚度逐渐减薄，而二次燃烧率逐渐增大；在出渣后的一段时间内，由于渣层较薄，二次燃烧率几乎保持不变。由此可以得知，渣层的厚度变化对二次燃烧率的大小具有一定的影响，渣层越厚，渣面到喷枪的间距越小，二次燃烧率越小。该结论与文献所述的保持较高的、稳定的渣面高度，有利于扩大渣层内的二次燃烧区，有利于提高二次燃烧率的结论是一致的。因此，在实际操作中，可以通过稳定的供料速度、控制出渣时间以及出渣频率来确保SRV炉内保持稳定的渣层高度，来达到稳定合理二次燃烧率指标，进而提高煤粉的利用效率，因为二次燃烧率的高低直接反应了煤粉利用效率的高低。

5.3 操作压力变化

实际生产中SRV炉属于带压操作，因此根据燃烧热力学条件，在压力增大时，在熔池上部二次燃烧反应（5）、（6）有利于向正反应方向进行，即提高SRV炉的操作压力，有利于二次燃烧率的提高，进而提高入炉煤粉的有效利用率，降低吨铁工序能耗。

截取某一阶段的实际生产数据，在喷矿量106 t/h、喷煤60 t/h、热风含氧量为37%、热风温度980℃、热风流量为122400 m3/h的情况下，绘制操作压力与二次燃烧率的变化趋势图。明显看出，实际生产中二次燃烧率与SRV炉操作压力的变化趋势相同，随着操作压力的提高二次燃烧率增加，进而也进一步说明在铁浴式熔融还原冶炼中，操作压力的变化影响二次燃烧率高低。因此合理的操作压力，对提高提高煤粉的利用效率也是十分重要，适当提高操作压力，有利于降低煤粉的消耗。

6 HIsmelt工艺生产实践

HIsmelt技术经过近40 a的研发和实验室验证、工业化生产，截至目前，已经历两次工业化生产。

第一次：在澳大利亚奎那那工厂，2005—2008年；约生产生铁块388273 t，受世界金融危机影响，HIsmelt奎那那示范厂2008年停产，且不再复产。

第二次：国内墨龙公司于2012年确定引进HIsmelt熔融还原炼铁技术，在原工艺流程的基础上经过优化、升级等措施，该项目于2016年6月建成投产，投产至今经过不断的优化完善，累积操作经验，优化生产指标，先后经历十多次的停开炉探索实践，通过不断调试摸索，墨龙HIsmelt技术团队先后解决了SRV炉热平衡的稳定性控制、物料喷吹的反应性研究、熔融还原SRV炉泡沫渣控制、DCS系统的稳态控制、物料的平衡反应模拟、流体动力学优化、热力系统改进、矿粉输送防堵塞系统升级、磨煤系统改造升级、还原剂喷吹系统逻辑优化、喷枪结构优化、烟气循环系统改造等一系列影响工艺连续性与技术稳定性的关键难题，并在此基础上，依托墨龙集团的装备制造技术优势对核心设备进行了优化设计与重新加工制造。截至目前，共计产出约150万t铁水，当前日最高产量达到2026 t、月产量达到55214 t，设备不间断作业已达到157 d，2020年全年实际作业305 d，产能约53万t。

通过两次生产指标的对比可以看出，引进后的技术指标均超过原澳大利亚工厂生产指标，究其原因可以从两方面考虑：1）墨龙HIsmelt工厂设计是基于原澳大利亚工厂设计生产实践经验基础上完成的，使得工艺流程更加完善、设备配置及选型更加合理；2）随着墨龙HIsmelt工艺技术在国内的深入发展，以及从业人员对HIsmelt工艺技术更加熟悉，操作经验的逐步积累优化，对工艺操作参数的选取以及优化控制变得更加成熟。

通过生产实践检验，墨龙HIsmelt工艺的优越性得到充分体现，无论是原、燃料选取的灵活适应性、较低的冶炼成本、操作简单灵活、环境友好型还是铁水质量的稳定和优质等优点，均得到了很好的验证，也更进一步说明HIsmelt技术是可行的。

7 结论

7.1 对HIsmelt熔融还原炼铁工艺进入SRV炉的煤粉的流向及功能进行详细分析，进入SRV炉的煤粉除了提供还原剂和热量外，还起着抑制泡沫渣的作用。

7.2 在不考虑其他条件的情况下，喷枪安装高度、渣层厚度以及操作压力均会对二次燃烧率的大小产生影响，即：喷枪到渣面的距离越近，二次燃烧率越小；渣层厚度越厚，对应的二次燃烧率也越小；提高SRV炉操作压力，二次燃烧率增大，有利于提高煤粉的利用率。

7.3 HIsmelt熔融还原工艺是商业化的熔融还原炼铁工艺之一，随着现有工业化装置的稳定运行，HIsmelt工艺将会越来越成熟，未来将成为我国熔融还原炼铁工艺的发展方向。