刘伟

（江西理工大学）

摘  要  钢铁是人类生活最重要的材料，我国每年生产数亿吨以满足市场需求，但是传统的钢铁炼金工艺对焦炭、矿石要求高，能耗巨大，造成了严重的环境污染，因此必须研究熔融还原炼铁工艺，以降低冶金过程对焦炭的需求，并减少环境污染，为了社会可持续发展提供保证。

关键词  熔融还原；炼铁技术；COREX工艺；HISMELT工艺；可行性分析

钢铁是社会最基本的生活必需品，消费最大、应用最广，渗透了人民生活各个空间，我国生铁年产量超过5亿吨，产量远超其它地区。钢铁制造需要消耗大量的资源和能源，且排放量大，每千克标煤CO2释放约2.3kg，全年5亿吨的钢铁冶金产生的温室气体排放量将超过8.1亿吨，由于人们消费钢材量逐年增加，未来几年排放量会超过电力，成为主要的二氧化碳来源，大量有毒气体还会在炼铁、焦化中还产生，如氮氧化合物和氧硫化合物，进这两种有毒气体排放超过1000万吨。采用高炉炼铁工艺需要原料造块、焦化和高炉主体冶炼，每吨铁水消耗超过700kg标准煤，其中高炉主体能耗约占70%，原料造吨铁能耗占比20%，炼焦吨铁能耗约占10%。

随着社会基建对钢铁需求的增加，高炉炼铁系统的能耗和排放问题受到了社会各个方面的重视和指责。温室气体在大气中浓度的增加成为气候变暖的原因已经成为一个社会共识，降低其排放成为了一个全社会难题，在世界气候倡议书中，针对6种气体进行分析，CO2排放量最大，降解周期最长，危害程度占到了6成，我国化石燃料燃烧排放的温室气体总量居世界第二位，而且这一趋势不断增加。

1  熔融还原炼铁技术概述

在我国传统的钢铁生产工艺是高炉+转炉，关键能源和原材料是焦炭，但该方法工艺流程长、对焦煤等关键资源依赖性大，且温室气体排放多，对我国钢铁可持续发展形成了巨大屏障。为了降低我国钢铁生产能耗，缓解环境负荷过重问题，必须摒弃高炉炼铁的传统模式，减少对原料的需求。同时，我国钢铁工业生产的快速发展引发了铁矿石价格的增长，尤其是高品位矿石价格接连翻倍，不仅增加了冶金成本，也引发了供需关系的不稳定。我国矿石品位低、价格优势大，因此适应劣质矿石的冶金新工艺逐渐体现了它的自身优势，熔融还原炼铁技术很好地满足了新时代炼铁工艺的需求，为了更好适应钢铁制造业可持续发展，必须全面掌握熔融还原发展技术的工业化生产。

我国在2007年开始引进非高炉炼铁工艺设备，长时间运营后得出节能减排效果不明显。其他引进的煤基还原炼铁生产工艺，也认定为高能耗、高排放冶金过程，不能满足要求。尽管新的冶金技术遇到了应用障碍，但在自然资源匮乏与环境要求增加的巨大压力中，钢铁行业必须反复探索熔融还原冶铁技术的应用，我国钢铁企业采用了COREX工艺生产线，浦项与奥钢联建立的FINEX流生产线，塔塔钢铁集团在欧洲试运行Hisama生产线，目的都是想能够将熔融还原炼铁工艺尽早应用到冶金工业生产中。

2  熔融还原炼铁原理

熔融还原炼铁方法在上世纪20年代由Hoesch钢铁公司提出了这一概念，即在转炉中使用碳和氢还原铁矿石。到了60年代，埃克托普教授详细给定了熔融还原理论，即铁氧化物在熔融状态全部依靠碳和一氧化碳完成还原，用Fe2O3+3C=2Fe+3CO、3CO+3/2O2=3CO2和Fe2O3+3C+3/2O2=2Fe+3CO2三个方程来表达其化学反应过程，CO燃烧过程成CO2并释放热量，为化学反应提供所需的热量。

工业炼铁用的熔融还原法不再以焦炭作为主要能源来源，而是在高温熔态下完成Fe2O3还原获得铁水的技术。目前，熔融还原法应用过程仍有较多难题未能突破：在熔炼炉中如何同时保证氧化反应与还原发反应分离；炉内上部热量二次再利用，降低原材料消耗等。因此，研究熔融还原工艺必须基于物料平衡和能量平衡两个平衡计算原理出发，综合考察原材料与能量消耗，为熔融还原炼铁工艺开发应用取得成功提供有力的理论依据和保证。

3  熔融还原炼铁技术应用策略

3.1 COREX炼铁工艺方法

奥钢联开发了COREX炼铁工艺方法，以煤和块矿为原料产生铁水，基于该炼铁方法在南非修建了两套年产30万吨熔融还原铁水设备。经过10年生产实践证明，该方法在技术和经济上基本满足了预期要求。2000年印度引入该技术建立了新厂，但是在工艺、炉型、布料进行了小幅改进，保证了生产能力可大于设计能力而稳定地运行。经过一系列生产实践表明，对比COREX法与传统高炉方法，铁水的生产成本基本相同，但是在控制温室气体排放等方面有明显优势，COREX炼铁法大规模生产运营已经生产了超过1700万吨铁水，已被视为了一种成熟的非高炉炼铁技术。

该方法炼铁过程是在上下两个反应器中完成的，（1）在上部预还原竖炉完成海绵铁还原：铁矿石从上部装入活塞式反应容器的预还原竖炉中，热还原用煤气则从底部进入炉中，向下移动速度由螺旋排料器控制，铁矿石和还原煤气加热7小时后变成海绵铁，并由螺旋排料输送器转移到下部的熔融气化炉。（2）在下部熔融气化炉完成铁水制备，并生成煤气，因此熔融气化炉存在气-固-液和半熔融四相的应容器，螺旋给料器匀速将煤炭加入炉内，煤炭与还原气体进行高温接触，逐渐被干燥、热解和脱除，逐由半焦状态形成焦炭，到达熔融气化炉底部形成死料柱，氧枪将氧气吹入炉内，在氧气和死料柱化学反应产生约2000℃高温，海绵铁在高温和化学还原同步进行形成铁水从铁口排出，并完成铁水和渣铁的分离。

COREX炼铁炉炉顶排出的气体成分绝大部分是一氧化碳和氢气，少量甲烷和氮气也在其中夹杂。为进一步利用炉顶煤气，降低能耗，对炉顶排出的气体做降温处理，并对煤气进行净化除尘，保证含尘量不大于20mg/m3，再使用20％冷煤气与之混合成温度850℃的气体，将混合好的还原气二次吹入熔融气化炉中。通过测量造渣成分和碱度，适当加入石灰石、硅砂等调节炉渣PH值，并由螺旋排料输送器送入熔融气化炉，保证铁水流动性。

3.2 HISMELT熔融还原炼铁工艺法

HISMELT 熔融还原工艺法形成较晚，直到2000年才在西澳大利、亚洲等地进行炼铁生产设备的投入，设计产能为50万吨/年。HISMELT 工艺首先是将粉状矿石与煤混合均匀后，投射到铁浴中，发生还原和渗炭反应，并制造出CO、CH4等可燃气体。混合可燃气体在和高氧空气发生二次燃烧，利用水冷喷嘴投射材料，从而产生溅渣作为传热媒介进行热传播，使得炉上部热量向中间熔池部位中移动。还原得到的铁水以虹吸原理出炉，而炉渣则通过专门的出渣孔排出。HISMELT工艺的基本原理是以高温作为动力，C元素会和Fe2O3中的O元素发生反应，生成Fe元素及CO，其技术的核心装备是熔融还原炉，炉内高温铁水由铁矿中的Fe元素和分解出的C元素发生还原反应，熔融还原炉热量传递为煤气和氧气的氧化燃烧剧烈放热反应，铁水熔池产生的煤气和喷射的渣铁将热量向下传递，燃烧的热加上渣铁回落带来的热量，从而使还原炉下部获得还原反应所需持续的动力，进而形成了持续的还原反应的物质供应，并持续生产铁水。

HISMELT熔融还原炼铁工艺系统主要核心包括熔融还原炉、原燃料喷吹系统和水冷喷枪，其主要原料为铁矿粉和非焦煤。矿粉先是进行整理筛分，保证颗粒度不大于6mm，再由皮带运至矿石至预热器，采取循环预热方式加热至800℃，完成15％的初级预还原，初级处理好的热矿粉被储存在热矿仓中等待喷吹。粒煤喷吹用的煤，经过破碎、磨碎、烘干后存储于干煤仓，干粉煤粒度越小越好，喷吹采用双系统工作。炼铁造渣所用石灰石、菱镁石必须进行破碎、磨碎、烘干，存储于干熔剂仓待喷吹。熔融还原炉设计两套喷吹系统，一套用于喷吹铁原料、煤和熔剂，另一套系统的喷枪用于喷吹煤颗粒和熔剂，不同物料喷枪间隔设置。

HISMELT熔融还原炉内氧化气氛很弱，对炉渣脱磷效果非常好，该方法用于冶炼高磷铁矿，煤炭中的C在铁水熔池中生成的一氧化碳、氢气喷涌形成“涌泉”不同材料比重不同，使得熔渣，和铁液分开。炼铁过程中热煤气通过冷却、洗涤除尘净化，处理后的煤气可以被二次利用，如燃烧进行蒸汽制备。

3.3 FINEX熔融炼铁还原工艺法

韩国浦项钢铁公司在原有炼铁工艺装备的结构和装置改进后，又和奥钢联共同研究了FINEX熔融还原炼铁工艺。炼铁的基本原理是采取流化床法，让还原气体直接还原粉矿，然后进入熔融气化炉。多级流化床反应器对铁矿进行直接还原，在反应器中在高温的作用下，还原气体还原铁粉矿，炉料在还原气体流动时完成还原，不用考虑炉料透气性因素，直接用铁粉矿作原料。

FINEX工艺采用的流态化床是4级反应器串联，即粉矿进入第一级流化床反应器，炉料在第一级完成干燥预热，炉料在自重作用下进入第二级和第三级反应器，期间完成预还原反应，炉料在最后一级反应器完成最终还原。作为还原剂的焦煤，通过筛分后，大块的煤可直接使用，细小粉煤压成煤块后使用。形成的还原气体的路径是和粉矿相反的，依次通过4级到1级反应器，排出后进行除尘净化处理，并去除温室气体CO2使之含量不大于3％。净化后的还原气体可以二次利用，以降低煤资源的消耗。

FINEX工艺很大程度降低了对大气、水域等环境破坏，因为该工艺省去了传统炼铁过程的炼焦、烧结、球团环节，杜绝了重污染、高排放的环节。熔融气化炉采用纯氧进行燃烧反应，减少了氮氧化合物的生成。而煤中含有的硫，在熔融气化炉中生成 H2S，随还原煤气进入流化床，生成 MgS，最终随炉渣排出，因此，FINEX炼铁工艺环保优势明显。

4. 结论

通过对三种熔融还原炼铁方法的分析，可以得出：

（1）COREX熔融还原法融合了固有炼铁技术，通过借鉴成熟的气基竖炉法，融合新研究的高温煤气处理技术和海绵铁热态输送技术，该方法具有经济性好、成本低，作业率高且生产稳定等特点，炉体寿命比传统高炉的寿命长约50%，炼铁副产物适合于其它工业生产，但是该方法仍然对煤炭和铁矿石原料有较高要求，耗氧量偏高，工艺流程相对长，需要作业人数多；

（2）HISMELT炼铁工艺摆脱了对紧缺资源焦炭的依赖性，铁水年产能高，二次燃烧传热速度快且控制稳定，温室气体排放可降低60%左右，但是单位生产成本较高；

（3）FINEX炼铁工艺可很好适应各种煤，彻底摆脱了对焦炭的依赖，是极其环保清洁生产工艺，但是吨铁煤炭消耗量和氧气的消耗量大，一定程度增加了制造成本。

5  参考文献

[1]郭培民, 赵沛, 庞建明,等. 熔融还原炼铁技术分析[J]. 钢铁钒钛, 2009, 30(3):9.

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