HIsmelt熔融還原技術(shù)現(xiàn)狀及生產(chǎn)實(shí)踐

賈利軍，湯彥玲

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

作為一個(gè)鋼鐵大國(guó)，中國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量近30年以來(lái)穩(wěn)居世界第一。目前中國(guó)和全世界的鋼鐵生產(chǎn)依然大多保持著傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)流程。對(duì)于高爐而言，焦炭、燒結(jié)礦是必不可少的原料，而燒結(jié)、煉焦工藝產(chǎn)生的二惡英、硫化物、氮化物等污染物會(huì)極大地污染環(huán)境，不利于我國(guó)的生態(tài)文明建設(shè)，同時(shí)傳統(tǒng)高爐煉鐵流程因受到焦煤資源、優(yōu)質(zhì)鐵礦資源的日益減少的影響，不適合我國(guó)鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求。

非高爐煉鐵因可以不用或者少用焦炭和燒結(jié)礦，大大降低因焦化、燒結(jié)帶來(lái)的二惡英、呋喃、焦油和酚的污染排放，同時(shí)不受焦煤資源的制約，近年來(lái)得到了行業(yè)極大關(guān)注，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。

非高爐煉鐵主要包括直接還原和熔融還原兩種工藝，直接還原煉鐵以豎爐直接還原工藝為主導(dǎo)，利用富含還原劑的氣體作為還原劑和熱載體，來(lái)對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行直接還原，生成產(chǎn)物為海綿鐵。我國(guó)天然氣資源短缺是限制我國(guó)直接還原煉鐵技術(shù)發(fā)展的瓶頸。國(guó)內(nèi)山西中晉冶金科技有限公司與中國(guó)石油大學(xué)合作開發(fā)了用于氣基豎爐直接還原工藝的還原氣制備技術(shù)，很大程度上解決了我國(guó)天然氣不足的問(wèn)題，此項(xiàng)目命名為CSDRI。同樣，MIDREX、HYL-III等國(guó)外技術(shù)同樣也是氣基直接還原煉鐵技術(shù)[1]。

熔融還原煉鐵工藝以非焦煤為能源，在高溫熔態(tài)下進(jìn)行鐵氧化物還原，渣鐵完全分離后得到鐵水。其目的是以煤代焦和直接用粉礦煉鐵，使煉鐵流程簡(jiǎn)化，污染減少，已經(jīng)受到許多國(guó)家的重視。幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)在熔融還原工藝的引進(jìn)、消化吸收、創(chuàng)新方面做了大量的工作，截止目前已有兩座熔融還原煉鐵工廠在運(yùn)行，分別運(yùn)用寶鋼八一鋼鐵歐冶爐工藝和墨龍HIsmelt熔融還原工藝（以下簡(jiǎn)稱ML-HIsmelt）。本文著重就ML-HIsmelt煉鐵工藝的技術(shù)流程特點(diǎn)、工藝創(chuàng)新以及運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，同時(shí)介紹了當(dāng)前存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施。

1 HIsmelt工藝流程簡(jiǎn)介

HIsmelt煉鐵工藝（見圖1）是已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵技術(shù)之一，屬于當(dāng)今冶金領(lǐng)域前沿技術(shù)，是典型非焦熔融還原煉鐵工藝。其工藝流程如下：生產(chǎn)所需的鐵礦粉、煤和熔劑等爐料在原料場(chǎng)堆存后，經(jīng)原燃料輸送系統(tǒng)輸送到礦粉預(yù)熱預(yù)還原系統(tǒng)及煤粉制備系統(tǒng)，在礦粉預(yù)熱預(yù)還原內(nèi)完成鐵礦粉的預(yù)熱預(yù)還原，被加熱的鐵礦粉經(jīng)過(guò)熱礦輸送機(jī)進(jìn)入熱礦噴吹系統(tǒng)；原煤進(jìn)入煤粉制備系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)干燥破碎后進(jìn)入煤粉噴吹系統(tǒng)，被加熱的熱礦粉和破碎后的煤粉分別經(jīng)過(guò)各自的輸送管道、水冷噴槍噴吹到熔融還原爐（簡(jiǎn)稱SRV爐）內(nèi)，其中煤粉噴入融池中后，煤開始裂解，碳元素溶于鐵水中，礦石開始熔化并形成熔渣。鐵水熔池中由于劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，在熔池中具有強(qiáng)烈的攪拌作用。由于熔池內(nèi)的氣體攪拌和頂部熱風(fēng)噴槍的射流，大量渣鐵混合物被噴濺到熔池上部，形成過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)是發(fā)生還原反應(yīng)及熱傳遞的重要區(qū)域，對(duì)過(guò)渡區(qū)的控制是冶煉操作的核心部分。

圖1 HIsmelt工藝流程圖

生產(chǎn)的鐵水經(jīng)過(guò)前置爐排出，進(jìn)入鐵水罐，然后經(jīng)鐵水倒運(yùn)裝置依次經(jīng)過(guò)鐵水脫硫、鑄鐵機(jī)生產(chǎn)合格生鐵。冶煉產(chǎn)生的熔渣經(jīng)專用渣口排出，進(jìn)入水渣?；到y(tǒng)。

SRV爐生產(chǎn)的大量高溫煤氣經(jīng)煤氣室導(dǎo)出，依次進(jìn)入汽化冷卻煙道、高溫旋風(fēng)除塵器，進(jìn)行降溫及初除塵，降溫后的半凈煤氣再進(jìn)入余熱鍋爐，進(jìn)一步回收煤氣顯熱，降溫后的煤氣溫度約200℃，進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)，完成最終凈化，進(jìn)入管網(wǎng)，供下游用戶使用。汽化煙道和余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽，用于發(fā)電。

2 HIsmelt熔融還原工藝主要特點(diǎn)

HIsmelt熔融還原工藝主要特點(diǎn)[2]如下：

（1）工藝流程短、工廠建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單、占地面積小。

（2）操作簡(jiǎn)變、靈活，具有快速響應(yīng)特性。

（3）原料要求低、物料范圍廣，可使用低品質(zhì)的礦粉和非焦煤。

（4）鐵水質(zhì)量穩(wěn)定，可生產(chǎn)低硅、低磷鐵水。

（5）環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯，沒(méi)有二次污染物排放，取消焦?fàn)t、燒結(jié)，基本遏制二惡英、呋喃、焦油和酚等污染物的排放。

3 ML-HIsmelt工藝生產(chǎn)實(shí)踐

HIsmelt技術(shù)經(jīng)過(guò)近40年的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、工業(yè)化生產(chǎn)，截至目前，已經(jīng)歷兩次工業(yè)化生產(chǎn)。

第一次：在澳大利亞奎那那工廠，2005～2008年；約生產(chǎn)生鐵塊388 273 t，受世界金融危機(jī)影響，HIsmelt奎那那示范廠2008年停產(chǎn)，且不再?gòu)?fù)產(chǎn)。

第二次：國(guó)內(nèi)墨龍公司于2012年確定引進(jìn)HIsmelt熔融還原煉鐵技術(shù)，在原工藝流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化、升級(jí)，該項(xiàng)目于2016年6月建成投產(chǎn)，投產(chǎn)至今經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化完善，累積操作經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化生產(chǎn)指標(biāo)，先后經(jīng)歷十多次的停開爐探索實(shí)踐。通過(guò)不斷調(diào)試摸索，墨龍HIsmelt技術(shù)團(tuán)隊(duì)先后解決了SRV爐熱平衡的穩(wěn)定性控制、物料噴吹的反應(yīng)性研究、熔融還原SRV爐泡沫渣控制、DCS系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制、物料的平衡反應(yīng)模擬、流體動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)改進(jìn)、礦粉輸送防堵塞系統(tǒng)升級(jí)、磨煤系統(tǒng)改造升級(jí)、還原劑噴吹系統(tǒng)邏輯優(yōu)化、噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化及煙氣循環(huán)系統(tǒng)改造等一系列影響工藝連續(xù)性與技術(shù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵難題。在此基礎(chǔ)上，依托墨龍集團(tuán)的裝備制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)核心設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與重新加工制造。

隨著工作人員對(duì)工藝流程和生產(chǎn)操作的逐步熟悉，以及對(duì)故障設(shè)備的檢修更換、工藝規(guī)程的進(jìn)一步修改完善，ML-HIsmelt工藝無(wú)論從作業(yè)率、操作穩(wěn)定性以及能耗指標(biāo)方面都有了質(zhì)的提高。截至目前共計(jì)產(chǎn)出約150萬(wàn)t鐵水，當(dāng)前日最高產(chǎn)量達(dá)到2 026 t、月產(chǎn)量達(dá)到55 214 t，設(shè)備不間斷作業(yè)已達(dá)到157 d，其各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)均超過(guò)澳大利亞奎那那的HIsmelt工廠，過(guò)去2020年全年實(shí)際作業(yè)305 d，產(chǎn)能約53萬(wàn)t。

ML-HIsmelt技術(shù)自投產(chǎn)以來(lái)的典型操作參數(shù)見表1。

表1 ML-HIsmelt典型操作參數(shù)

通過(guò)兩次生產(chǎn)指標(biāo)的對(duì)比可以看出，引進(jìn)后的技術(shù)指標(biāo)均超過(guò)原澳大利亞工廠生產(chǎn)指標(biāo)，究其原因可以從兩方面考慮：（1）ML-HIsmelt工廠設(shè)計(jì)是基于原澳大利亞工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)低基礎(chǔ)上完成的，使得工藝流程更加完善、設(shè)備配置及選型更加合理；（2）隨著ML-HIsmelt工藝技術(shù)在國(guó)內(nèi)的深入發(fā)展，以及從業(yè)人員對(duì)HIsmelt工藝技術(shù)更加熟悉，操作經(jīng)驗(yàn)的逐步積累優(yōu)化，對(duì)工藝操作參數(shù)的選取以及優(yōu)化控制變得更加成熟。

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，ML-HIsmelt工藝的優(yōu)越性得到充分體現(xiàn)，無(wú)論是原、燃料選取的靈活性適應(yīng)性、較低的冶煉成本、操作簡(jiǎn)單靈活、環(huán)境友好型還是鐵水質(zhì)量的穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)均得到了很好的驗(yàn)證，也更進(jìn)一步說(shuō)明HIsmelt技術(shù)是可行的。

4 存在的問(wèn)題及改進(jìn)方法

雖然，通過(guò)國(guó)內(nèi)外兩套設(shè)備的實(shí)踐運(yùn)行證實(shí)了ML-HIsmelt工藝本身的可行性及優(yōu)越性，但是要想取代傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝還有很長(zhǎng)的路要走。

就國(guó)內(nèi)工廠而言，因?yàn)榍捌谠O(shè)計(jì)、設(shè)備選型等問(wèn)題，存在系統(tǒng)作業(yè)率偏低、設(shè)備故障率高、產(chǎn)能達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)等現(xiàn)象，實(shí)際年產(chǎn)約60萬(wàn)t，僅達(dá)設(shè)計(jì)產(chǎn)能的約80%。其不達(dá)產(chǎn)的原因主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）設(shè)備故障率偏高。

第一，利舊設(shè)備故障率高?，F(xiàn)有墨龍HIsmelt生產(chǎn)工廠為搬遷工廠，工廠中部分設(shè)備由原國(guó)外工廠利舊而來(lái)，因利舊設(shè)備老化以及原廠長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)導(dǎo)致設(shè)備性能降低，是導(dǎo)致新工廠運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因，其主要體現(xiàn)在噴煤制備及噴吹系統(tǒng)、鑄鐵機(jī)系統(tǒng)，截止目前所有利舊設(shè)備幾乎全部更新?lián)Q代，故障率明顯降低。

第二，新設(shè)備的故障問(wèn)題。設(shè)計(jì)初期HIsmelt工藝的流程進(jìn)行了優(yōu)化，但對(duì)優(yōu)化后部分工序缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)資料，以及對(duì)優(yōu)化工藝本身不熟悉，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型等方面不合理，引起設(shè)備故障，比較典型就是開爐初期汽化冷卻煙道漏水以及回轉(zhuǎn)窯耐材脫落等現(xiàn)象。隨著生產(chǎn)的逐步深入，通過(guò)對(duì)事故的不斷總結(jié)分析，進(jìn)行了不斷的改進(jìn)完善，截止現(xiàn)在問(wèn)題已得到妥善解決。

（2）主要工序不達(dá)標(biāo)是目前導(dǎo)致產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)的主要原因，最主要體現(xiàn)在熱風(fēng)溫度和回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱預(yù)還原兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

熱風(fēng)溫度的影響：ML-HIsmelt熔融還原工藝富氧熱風(fēng)功能類似傳統(tǒng)高爐，主要為爐內(nèi)提供熱量及氧化劑，其溫度越高對(duì)產(chǎn)能提升越有利，原設(shè)計(jì)溫度≥1 200℃，但實(shí)際運(yùn)行溫度始終在1 000℃左右，較設(shè)計(jì)值偏差較大，經(jīng)理論計(jì)算在其他條件不變的情況下，熱風(fēng)溫度每提高100℃，鐵水產(chǎn)量可增加3.9 t/h，因此可以通過(guò)提高熱風(fēng)溫度從而提高HIsmelt的設(shè)計(jì)產(chǎn)能。熱風(fēng)爐屬于傳統(tǒng)高爐成熟設(shè)施，其提高風(fēng)溫的措施可借鑒高爐工藝的方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

預(yù)熱預(yù)還原的影響：對(duì)ML-HIsmelt熔融還原工藝而言，入爐礦粉溫度及還原度對(duì)SRV爐的冶煉強(qiáng)度有較大的影響。目前回轉(zhuǎn)窯礦粉預(yù)熱預(yù)還原系統(tǒng)的出料溫度在500℃左右，不具備還原條件，因此沒(méi)有預(yù)還原，僅相當(dāng)于熱礦入爐，較設(shè)計(jì)參數(shù)入爐溫度750℃、預(yù)還原度10%～15%偏差較大，所以嚴(yán)重影響了產(chǎn)能的發(fā)揮。因此，如何提高入爐礦粉溫度和還原度是提高M(jìn)L-HIsmelt熔融還原工藝產(chǎn)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）基本設(shè)計(jì)資料問(wèn)題，導(dǎo)致部分系統(tǒng)工藝流程及設(shè)備選型不合理。

國(guó)內(nèi)工廠的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料均依靠理論技術(shù)數(shù)值及原澳國(guó)外工廠的操作實(shí)踐，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)熔融還原工藝進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，但是工廠生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)間較短，經(jīng)驗(yàn)積累不足，使得墨龍工廠建廠前的部分系統(tǒng)工藝流程與設(shè)備選型不是很合理。但是，經(jīng)過(guò)墨龍工廠近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，在新的工廠設(shè)計(jì)中會(huì)得到很好的解決。

（4）新工藝、新技術(shù)，從業(yè)人員相對(duì)較少，不具備企業(yè)間相互對(duì)標(biāo)、相互促進(jìn)的條件，這也是制約其產(chǎn)能、技術(shù)指標(biāo)提升的因素之一。

相信隨著時(shí)間的推移，ML-HIsmelt相關(guān)人員對(duì)ML-HIsmelt工藝熟悉度的提高，以及工藝設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)，ML-HIsmelt技術(shù)的產(chǎn)能、作業(yè)率都將會(huì)達(dá)到新的高度，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤其在新建項(xiàng)目中完全可以克服以上影響產(chǎn)能的因素。

在新工廠的設(shè)計(jì)中，為提高M(jìn)L-HIsmelt工藝系統(tǒng)的整體運(yùn)行穩(wěn)定性及作業(yè)率，降低系統(tǒng)的故障率，提高產(chǎn)能，進(jìn)而降低工序能耗，成為真正的環(huán)保、低碳、節(jié)能煉鐵技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有工藝的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)是非常有必要的，其工藝設(shè)計(jì)應(yīng)主要把握以下原則：

（1）通過(guò)旁備用設(shè)施或者旁路的方式，盡量使得上下游工序間既相互聯(lián)系又不相互制約，可以獨(dú)立運(yùn)行，降低工序間的連鎖效應(yīng)，提升系統(tǒng)的作業(yè)率，該措施雖然會(huì)引起投資的增加，但是對(duì)提升系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定性和作業(yè)率至關(guān)重要；

（2）針對(duì)全廠影響較大的關(guān)鍵設(shè)備，在提升設(shè)備質(zhì)量的同時(shí)，優(yōu)化檢修設(shè)施，故障時(shí)可以快速更換，避免長(zhǎng)時(shí)間影響生產(chǎn)；

（3）對(duì)現(xiàn)有工藝路線不合理之處進(jìn)一步優(yōu)化，做到物料運(yùn)行流暢、工序穩(wěn)定；

（4）對(duì)當(dāng)前工廠已出現(xiàn)的故障率較高的系統(tǒng)進(jìn)行分析總結(jié)，從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型方面爭(zhēng)取做到最優(yōu)；

（5）通過(guò)工藝優(yōu)化，降低現(xiàn)有工廠的污染物排放，盡可能做到物料封閉傳輸、不落地，減少無(wú)組織排放，在產(chǎn)能提升的同時(shí)，達(dá)到環(huán)保清潔生產(chǎn)的目的。

5 總結(jié)

ML-HIsmelt熔融還原工藝是商業(yè)化的熔融還原煉鐵工藝之一，也是截止目前唯一不使用焦炭的熔融還原煉鐵技術(shù)，符合中國(guó)的鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，煉鐵工藝升級(jí)換代，淘汰落后技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)政策的戰(zhàn)略需求。隨著現(xiàn)有工業(yè)化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、以及國(guó)內(nèi)更多的鋼鐵企業(yè)選擇ML-HIsmelt熔融還原工藝，ML-HIsmelt工藝將會(huì)越來(lái)越成熟，未來(lái)將成為我國(guó)熔融還原煉鐵工藝的發(fā)展方向。