摘  要  本文简单介绍了HISmelt工艺及其特点，重点对HISmelt工艺在国产化过程中对包括矿粉预热系统、矿粉喷吹系统、铁渣系统、煤气系统、燃气锅炉及动力系统的改进情况进行了说明，同时对国内某厂HISmelt工艺实际生产情况作了简单介绍。

关键词  熔融还原  HISmelt

1  HISmelt工艺简介及特点

1.1  工艺简介

HISmelt是一种直接熔融还原的炼铁工艺，该工艺可直接熔炼经预热处理的铁矿粉和其他适合的含铁原料，并喷吹煤粉作为系统的还原剤及热量来源。相对传统的高炉炼铁工艺，HISmelt熔融还原炼铁工艺省去了烧结及焦化两个环节，在同样产能下节省了大量的投资及运行成本，且这种工艺在生产过程中产生的大量蒸汽及富余煤气均可以用于发电，使其生产系统的能源利用效率很高，应用前景广阔。HISmelt工艺设施包括矿粉预热及喷吹系统、煤粉制备及喷吹系统、熔融还原炉（SRV炉）、热风炉、出铁场、渣处理及湿法除尘等系统，除矿粉预热、热矿喷吹系统与SRV炉体部分同传统高炉不同外，其他部分类似于传统高炉，其工艺流程简图如下。

1.2  主要特点

（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，基本遏制二恶英、呋喃、焦油和酚的污染排放。

2  引进HISmelt与澳大利亚HISmelt工艺不同

引进HISmelt工艺项目是基于澳大利亚HISmelt工艺商业化成功的基础上引进建设的，但是在引进过程中结合原澳大利亚的生产实践，对工艺路线、部分技术方案进行了优化改进和部分设备的国产化设计，下面针对主要变化内容进行说明。

2.1  矿粉预热系统

矿粉预热系统的主要功能是完成铁矿粉的预热、预热还原，目的是减少入炉铁矿粉在SRV炉内热量的消耗，提高SRV炉的冶炼强度，进而提高产量。原澳大利亚该系统采用流化床工艺，具体流程是采用串联的三级旋风装置+流化床工艺，采用SRV高温煤气或者天然气燃烧的高温尾气作为预热预还原的热源，通过高温气体与铁矿粉在流化床和三级旋风装置内实现对流换热，最终达到预热预还原矿粉的目的。通过在澳大利亚工厂的运行实践证明，该工艺因铁矿粉对多级旋风装置及流化床内衬的磨损，引起耐材的频繁脱落，以及螺旋输送机的故障，导致矿粉预热系统故障频繁，成为影响HISmelt工艺正常生产的主要问题之一。

在引进HISmelt工艺设计中，结合国内实际情况，将原有多级流化床工艺改为两段式回转窑工艺，其具体工艺流程是：通过矿石缓冲仓接收来自原料场的铁矿粉，缓冲后将矿石导入烘干窑，在烘干窑内将铁矿粉脱水干燥，从烘干窑排出的矿粉温度约80～100℃。经烘干窑脱水烘干的矿粉经导料槽进入回转预热还原窑，在回转预热还原窑内将铁矿粉进一步加热，同时尽可能多的将铁矿石预还原（提高铁矿粉含铁量），最终使铁矿粉的出口温度达到750℃以上，矿粉经回转预热还原窑出口排出进入热矿斗式提升矿粉干燥预热需要的热量采用SRV炉产生煤气+煤粉燃烧所得，同时为提高铁矿粉与还原度，考虑在回转预热还原要尾部加入部分煤粉。回转预热还原窑产生的尾气首先经过烘干窑，作为烘干窑的热源，最后回收尾气带走的铁矿粉，另外，充分降低尾气排放温度，减少热量损失。其流程如下图1：

经实践检验，改进后的工艺既实现了矿粉的加热、预还原的目的，且技术成熟、稳定；同时，改进后的预热还原系统既可以采用煤粉也可以采用SRV煤气作为燃料，同时设计独立的煤粉供应系统，操作灵活，不受上下游工序的影响，作业率高，对提高HISmelt工艺整体的作业率有利。

2.2  矿粉喷吹系统

热矿喷吹系统主要功能是将来自矿粉预热系统的高温铁矿粉通过喷吹管路、喷枪喷入SRV炉内。该系统采用并联串罐喷吹系统，每个喷吹罐对应一条喷吹管线，，每条热矿喷吹管线均设有清堵和反吹管道，同时喷吹罐出口设有耐磨、耐高温密封螺旋输送机。该系统在国产化过程中改进的内容主要是针对原热矿喷吹系统喷吹压力、以及喷吹罐结构和螺旋给料机等问题进行了优化，具体：1）为提高系统的喷吹能力及降低喷吹管道堵塞问题，提高了喷吹系统的整体设计压力；2）修改了喷吹罐、热矿仓的结构，增加有助于物料流动设施，减少物料在仓罐内板结，影响物料的流通。

同时结合回转窑的运行特点，矿粉预热系统将会产生大量的细铁矿粉，因此增加细矿粉喷吹系统，喷吹管路并入热矿粉输送道，直接喷吹入炉，也可以实现厂区内其他含铁粉尘的喷吹，提高资源的合理利用能力，降低了粉尘对环境的污染。

经实践检验，改进后系统整体运行比较稳定，出现因螺旋给料机故障导致物料停喷现象，究其原因是设备制作以及维护不当导致，未出现热矿输送管道堵塞现象。

2.3  出铁、渣处理系统

2.3.1  出铁系统

因项目引进过程中涉及设备利旧问题，主要包括出铁场设备、铁水脱硫系统、电动平车、液压倾翻等设备以及SRV炉进出接口约束，新设计的出铁场布置与原设计相近，原设计生产的铁水全部通过铸铁机进行铸铁，而新设计为实现与业主方炼钢车间的对接要求，在铁水运输方面做了以下几方面的改进：（1）延长了出铁跨的设计，增加了45t铁水罐直接运往炼钢车间的运输通道，可实现与业主炼钢车间的直接对接；（2）保留了原设计80t铁水包内脱硫、运输的设计，增加了45t倒运设施，可以实现铁水脱硫后，与炼钢车间的匹配。

2.3.2  残铁回收

当SRV事故状态时，需要将炉内的残铁全部排出，原澳大利亚工厂的设计是直接将残铁排入残铁坑，根据实际生产数据，一次残铁量约300t铁水，因此大量的残铁直接放入残铁坑给后续使用带来很大不便，同时导致大量的铁水显热浪费不能回收利用。新设计中通过增加残铁回收跨，残铁回收跨内设置有残铁接铁工位，可以使的SRV炉的残铁经残铁接铁工位，然后经转运至铸铁机铸铁，实现资源的合理利用。

2.3.3  渣处理系统

原HISmelt工艺设计中，对炉渣的处理方式是直接放干渣，根据原澳大利亚工厂生产数据，在渣中的含铁量达到10%。按照年产80万吨铁，吨铁渣量为350kg计算，每年将产生28万吨熔渣,其中会含有2.8万吨的铁。因此，直接放干渣将导致大量的生铁随熔渣一起凝固，不能有效回收，导致大量生铁资源的浪费，而且大量的熔渣凝固，不利于熔渣资源的二次利用。

引进的设计在吸取原设计的经验的基础上，经多方讨论研究，为实现熔渣的合理利用以及渣中生铁的回收，熔渣处理采用高炉工艺比较成熟的水冲渣技术，同时在熔渣粒化之前，增加了熔渣中生铁回收单元，但仍保留了事故状态时，直接放干渣的设计。新设计的熔渣处理流程如下（参见图2）：混有生铁的熔渣经熔渣沟流入渣罐内，待出渣结束时，启动渣罐运输车，将盛满熔渣的渣罐运输到渣罐倾翻工位，利用渣罐倾翻装置将渣罐卸下，同时停滞于渣罐倾翻装置上使得渣铁进行充分分离，停滞时间约20~40分钟（可根据生产实际调节），待置放于渣罐倾翻装置上的渣罐内的熔渣得到充分沉淀后，利用渣罐倾翻装置将渣罐内的熔渣缓慢的倾倒入熔渣沟进入熔渣粒化系统中进行处理，待渣罐口见铁时渣罐倾翻装置停止倾翻，利用专用起重机将渣罐吊起、罐内沉淀的铁水倒入铁水罐内，铁水罐车将铁水罐运送到接铁工位继续接铁，倾倒完铁水的渣罐经起重机放置到指定位置，等待下一次循环。

经实践检验，新设计的熔渣处理系统在实现熔渣粒化的同时，可以实现将渣中的部分生铁回收。但是，在熔渣中生铁回收时，出现熔渣粘包的问题比较严重，导致渣包清理工作量大、时间长等问题，使得被迫放干渣次数增大，大大影响熔渣的再利用。为解决粘包的问题，结合国内实际生产发现，熔渣中铁含量较原设计少，所以为解决渣包粘结对生产造成的影响，最终将原熔渣回收单元取消，直接改为水冲渣粒化，经实际使用改进后的系统运行稳定、系统作业率明显提高。

2.4  SRV炉煤气系统

SRV炉煤气是指经SRV炉排出的高温煤气，经过后续处理所包含的设施，原澳大利亚工厂SRV炉产生大量的高温煤气，先经过SRV上方的废气烟罩，通过对流换热方式进行冷却，离开废气烟罩的煤气温度约为1000°C。该煤气将被分成两部分：一部分热煤气送至矿粉预热器，对矿粉进行预热还原，预热还原后的煤气温度约为260℃，然后再进行湿法洗涤，去除颗粒物供下游用户使用；剩余部分热煤气直接进行湿式洗涤塔去除颗粒物，经由洗涤塔清洗降温的煤气进入下游用户使用，洗涤工艺与矿粉预热后的煤气相似。其工艺流程如下图3。

新设计的SRV炉煤气系统主要考虑了高温气体显热回收，其主要过程是SRV炉产生大量的高温煤气同样先经过SRV炉上方的废气烟罩进行降温冷却，而冷却后的煤气温度约880℃，然后再通过重力沉降室、高温旋风除尘器和余热锅炉，进行初除尘和进一步的显热回收，再进入煤气洗涤系统进行最终净化洗涤。其具体内容如下。

（1）延长了SRV炉气化烟道的设计：将SRV煤气温度由原设计的1000℃降低到880℃，目的是提高热回收效率，降低高温旋风以及预热锅炉设施的热负荷。

（2）增加沉降室+高温选粉除尘器的设计：因为引进后的设计中取消了原有的循环流化床矿粉预热流程，所以SRV炉产生的高温烟气经冷却废气罩降温后（温度880℃）全部经重力沉降后再进入高温旋风除尘器，沉降室的目的是去除煤气中携带的较大颗粒烟尘，防止后续煤气管道积灰堵塞。经沉降室出来的高温气体再进入高温旋风除尘器进行二次除尘，使得煤气的到近一步净化，其目的是降低气体的含尘量，提高气体的对流换热系数。经高温旋风除尘器沉降的含铁粉尘，经缓冲灰仓缓冲后，通过气力输送系统送到热矿粉仓，通过喷吹系统进入SRV炉，循环利用。

（3）预热锅炉的设计：回收经沉降室、通过高温旋风二次除尘的高温气体显热，烟气在余热锅

炉内依次经中压蒸发器、低压蒸发器等换热面被冷却，被冷却后的气体（温度约250℃）在进入煤气湿法洗涤系统。

（4）旁通烟道的设计，为提高系统作业率，考虑在余热锅炉发生故障时，不影响SRV的正常生产，在余热锅炉进、出口间增加旁通管，当余热锅炉出现故障时，高温气体通过旁通管直接进入湿法洗涤系统。

改进后的SRV炉煤气系统具体流程如下图4所示。

2.5  燃气锅炉及动力系统

燃气锅炉及动力系统也可称为废热回收系统及动力系统，燃气锅炉系统主要是指燃气锅炉及其附属设施，而动力系统主要指为SRV炉提供热风的鼓风系统以及制氧站的驱动系统，二者放在一起考虑是由于原澳大利亚的设计燃气锅炉与鼓风、发电、制氧系统是相互连锁、相互依赖的，主要表现为：TAB透平鼓风发电系统、以及制氧系统的驱动方式都采用气动驱动，动力来源是燃气锅炉产生的高温高压蒸汽，换句话说，只有燃气锅炉产生足够的蒸汽时，TAB鼓风发电系统、制氧系统才能启动正常生产，所以当燃气锅炉故障时，制氧系统以及TAB鼓风系统是无法正常工作的，将直接导致SRV炉停炉。在新设计时，对燃气锅炉、鼓风及发电系统进行了改进，其具体内容如下：

（1）因为考虑原有的气动鼓风机以及透平发电机组利旧，所以保留原有系统的设计；同时根

据锅炉产气量，另外新增一台30MW中温中压抽汽凝汽式汽轮发电机组。

（2）避免由于锅炉出现故障时，影响SRV的正常运行，另外增设一台电动鼓风机作为SRV开炉和锅炉故障时的备用风机，以维持SRV炉正常生产，鼓风机采用全静叶可调轴流式鼓风机。

（3）将原来的锅炉直接驱动制氧机方式改为独立电驱动制氧，防止由于锅炉故障影响制氧系统的正常运行。

经实践检验，新设计的燃气锅炉及动力系统因各系统间相互独立、不受上游工艺的影响，系统的稳定性和作业率得到了很大提高，为SRV系统整体作业率的提高提供了保障。同时因电动鼓风机以及制氧机均为国内成熟的工艺设备，全部国产化，也有助于降低HISmelt工艺系统的投资和进一步推广。

3  生产实践

该项目与2016年6月2日凌晨2:45正式点火，开始烘炉，于8月 15日出第一包铁水。在一年多的时间了，通过不断调试试，随着现场工作人员对工艺流程和生产操作的逐步熟悉，以及对故障设备的检修更换、工艺流程的进一步修改完善，工厂生产产能、运行稳定性均有很大提高，目前运行指标为生产以来最高，达到设计产能的80%。具体操作指标如下。

3.1  截止目前以来的最佳操作纪录，见表1。

3.3  投产以来最好的技术经济指标（2017年底），表3。

4  总结

HISmelt熔融还原工艺是商业化的熔融还原炼铁工艺之一，也是截止目前唯一不使用焦炭的熔融还原炼铁技术，通过国外、国内两座商业化工厂的实践检验，其工艺可行性无容置疑，随着国内工厂、工作人员对工艺路线以及操作的不断熟悉，再加上中国冶金行业的强大设备制造能力和工艺技术创新能力，相信HISmelt熔融还原工艺因可以直接采用原矿、不需要造球、使用非焦煤、流程短、操作简单等优越性成为我国未来熔融还原炼铁技术的发展的方向。