發布時間：2021-11-18所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：簡要介紹了HIsmelt熔融還原技術及特點，詳細敘述了墨龍HIsmelt熔融還原技術工藝流程。并對HIsmelt熔融還原爐爐內不同功能區的劃分以及物料在SRV爐內發生的物理化學變化進行了闡述，重點對進入SRV爐內的煤粉的作用以及流向做了分析。同時針對不同噴槍按照高度、
摘 要：簡要介紹了HIsmelt熔融還原技術及特點，詳細敘述了墨龍HIsmelt熔融還原技術工藝流程。并對HIsmelt熔融還原爐爐內不同功能區的劃分以及物料在SRV爐內發生的物理化學變化進行了闡述，重點對進入SRV爐內的煤粉的作用以及流向做了分析。同時針對不同噴槍按照高度、渣層厚度以及操作壓力情形下，對SRV爐二次燃燒率的影響進行了分析。最后對HIsmelt技術的生產實踐進行了簡要說明。
關鍵詞：熔融還原煉鐵技術;SRV爐;煤粉;二次燃燒率
1 前 言
高爐煉鐵流程因受到焦煤資源和環保要求升級的影響，不適合我國鋼鐵行業可持續發展戰略的要求。HIsmelt熔融還原煉鐵因不用造成污染的煉焦和造塊工藝，大大降低因焦化、燒結帶來的二噁英、呋喃、焦油和酚的污染排放，是鋼鐵企業節能環保綠色轉型、企業再造競爭新優勢的最佳選擇。 HIsmelt煉鐵工藝是已實現工業化生產的熔融還原煉鐵技術之一，屬于當今冶金領域前沿技術，經過 30 多年的研究開發和生產實踐，工藝技術逐漸成熟。HIsmelt煉鐵工藝技術采取噴射冶金方式生產液態生鐵，流程短、成本低、污染小、鐵水質量好，是解決我國焦煤資源貧乏和環保問題的先進煉鐵技術，應用前景廣闊。
2 HIsmelt工藝簡介及特點
HIsmelt煉鐵工藝是已實現工業化生產的熔融還原煉鐵技術之一，屬于當今冶金領域前沿技術，是典型非焦熔融還原煉鐵工藝。其工藝流程如下：生產所需的鐵礦粉、煤和熔劑等爐料在原料場堆存后，經原燃料輸送系統輸送到礦粉預熱預還原系統、煤粉制備系統，在礦粉預熱預還原內完成鐵礦粉的預熱預還原，被加熱的鐵礦粉經過熱礦輸送機進入熱礦噴吹系統;原煤進入煤粉制備系統后，經過干燥破碎后進入煤粉噴吹系統，被加熱的熱礦粉和破碎后的煤粉分別經過各自的輸送管道、水冷噴槍噴吹到熔融還原爐(簡稱SRV爐)內，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產生大量氣體，在熔池中具有強烈的攪拌作用。由于熔池內的氣體攪拌和頂部熱風噴槍的射流，大量渣鐵混合物被噴濺到熔池上部，形成過渡區，過渡區是發生還原反應及熱傳遞的重要區域，對過渡區的控制是冶煉操作的核心部分。
生產的鐵水經過前置爐排出，進入鐵水罐，然后經鐵水倒運裝置依次經過鐵水脫硫、鑄鐵機生產合格生鐵。冶煉產生的熔渣經專用渣口排出，進入水渣粒化系統。
SRV爐生產的大量高溫煤氣經煤氣室導出，依次進入汽化冷卻煙道、高溫旋風除塵器，進行降溫及初除塵，降溫后的半凈煤氣再進入余熱鍋爐，進一步回收煤氣顯熱，降溫后的煤氣溫度約200 ℃，進入煤氣凈化系統，完成最終凈化，進入管網，供下游用戶使用。汽化煙道和余熱鍋爐產生的飽和蒸汽，用于發電。
HIsmelt 工藝特點：(1)工藝流程短、工廠建設相對簡單、占地面積小。(2)操作簡變、靈活，具有快速響應特性。(3)原料要求低、物料范圍廣，可使用低品質的礦粉和非焦煤。(4)鐵水質量穩定、可生產低硅、低磷鐵水。(5)環保優勢明顯，沒有二次污染物排放，取消焦爐、燒結，基本遏制二噁英、呋喃、焦油和酚的污染排放。
3 SRV爐內的主要物理化學變化
3.1 SRV爐不同區域劃分
HIsmelt 工藝的核心是 SRV 爐，SRV 爐由圓筒形鋼殼、耐火材料和冷卻設施組成，按照SRV爐內物料發生的物理化學變化及所處位置不同，將SRV 爐分為鐵浴區域、過渡區域和二次燃燒區域。
鐵浴區域主要由高溫鐵水和熔渣構成，該區域主要完成入爐鐵礦粉、煤粉的高溫熔化、裂解以及溶解后的鐵礦石與碳的還原反應，生成鐵水，同時脈石、煤灰與溶劑熔化后形成熔渣。在該區域內因粒煤熱解和生鐵滲碳所含的碳元素的存在，形成還原性區域。
因煤粉的裂解和鐵礦石的還原反應，產生大量還原性氣體，由于氣體攪拌和射流的作用，大量渣鐵混合物被噴到熔池上部，形成泉涌或者噴濺的區域稱為過渡區域。過渡區主要功能通過噴濺的渣鐵液滴的上下涌動將二次燃燒區域產生的熱量傳遞到鐵浴區域內。因為該區域存在熔融后的礦粉部分還原的浮士體FeO的存在，以及在熔渣鐵液滴噴濺回落過程中帶入上部空間的氧，使得該區域上部屬于氧化性氣氛，而底部與鐵水接觸部位又因大量煤粉噴入的碳質材料的存在屬于還原性氣氛，因此也可認為是SRV爐內還原區與氧化區的隔離帶，避免鐵水的二次氧化。
在SRV爐的上部區域，鐵礦石還原以及煤粉分解產生的還原性氣體在該區域與熱風攜帶入爐的氧氣發生燃燒反應，由氧氣、一氧化碳和氫氣進行的燃燒的反應稱之為二次燃燒(PC)，該區域稱為二次燃燒區，該區域主要功能通過燃燒提供大量的熱量，保證SRV爐內的礦石還原反應、渣鐵生產所需的熱量。
3.2 SRV爐內主要化學反應
3.2.1 鐵礦石的還原
在有預還原工藝存在的情況下，進入SRV爐熔池內的鐵氧化物的形式取決于鐵礦石的預還原度。在不同的預還原度下，進入SRV爐內的鐵氧化物的形式如表1所示。
根據各種鐵氧化物的熔點及分解壓相關知識可知，Fe2O3在進入 SRV 爐熔池的固體很容易被熱分解或者被爐內的煤氣還原成Fe3O4，因此，在SRV 爐內的Fe2O3在熔化之前被還原成Fe3O4，而Fe3O4爐內被分解的可能性不存在，但卻極易被煤氣還原為 FeO(s)或FeO(l)。
3.2.2 煤粉的分解及燃燒
隨著煤粉噴入高溫融池中，煤粉快速裂解析出揮發分，一部分碳元素溶于鐵水中，而另一部分碳參與鐵礦石的還原反應(4)，生產CO氣體與揮發產生的還原性氣體在上升的過程中一部分參與鐵礦石還原反應(1)～(3)，絕大部分還原性氣體進入二次燃燒區與從SRV爐頂部吹入的富氧空氣燃燒，發生反應(5)、(6)，產生的熱量用來補充鐵礦石還原吸收的熱量，維持鐵水熔池的熱量平衡。
3.2.3 熔渣的形成
煤粉中的灰分、噴入爐內的溶劑以及脈石溶解后形成爐渣。
4 煤粉作用及消耗量
噴入SRV爐熔池中的煤粉的主要功能是提供 SRV爐熔煉所需要的熱量以及參與鐵礦石的還原反應。下面就進入SRV爐的煤粉不同作用及流向做詳細分析。
4.1 作為還原劑的煤粉
入爐的煤粉在鐵水熔池內發生高溫熱解，熱解過程中揮發出的CO、H2以及溶解產生的固定碳均不同程度的參與鐵礦石的還原，而揮發分氣體反應主要是氣體在熔池內上浮過程與鐵礦石的反應，結合前面分析，假設CO、H2主要參與赤鐵礦、磁鐵礦的還原，發生反應(1)(2)，浮士體的還原全部由固定碳還原，發生反應(2)，則生產 1 t 生鐵理論需要碳量為214 kg。
4.2 提供熱源
因為鐵礦石溶解還原過程是吸熱過程，所以在冶煉過程中需要不斷向熔池內補充熱量，而所需要的熱量是由噴入煤粉中的揮發分CO、H2以及鐵礦石還原生產的CO與氧氣燃燒產生，二次燃燒產生的熱量部分通過渣鐵液滴的回落帶入熔池，部分隨著高溫煙氣排出SRV爐系統外，而被渣鐵液滴帶入熔池的熱量作為進入熔池的有效熱量，二次燃燒產生有效熱量與總熱量的比值成為傳遞效率(簡稱二次燃燒傳熱效率)直接影響SRV爐熔池溫度和還原反應的發生。
當預還原度為1/3 h，鐵礦石的主要成分為FeO，假設全部發生反應(4)，生成1 t生鐵需要吸收熱量約為2.7 GJ，產生的CO(不包含揮發分中的CO)全部燃燒生成CO2，則放出的熱量為2.5 GJ。可以看出燃燒產生的熱量不足以維持熔融損失的熱量，更何況需要考慮二次燃燒傳熱效率的影響，因此，需要更多的 CO、C燃燒來維持熔池的所需的溫度。
4.3 鐵水中溶解碳
由實際生產及相關知識可知，在煉鋼或者鑄造生鐵生產過程中，存在鐵水滲碳的現象，在保持鐵水溫度為1 450 ℃時，一般鐵水中含碳量約4%，則生產1 t鐵水滲碳量為40 kg。
4.4 熔渣中含碳量
在鐵浴式熔融還原工藝中，由于渣層內熔融狀態氧化鐵的還原以及煤炭中揮發分的分解而產生大量氣體，這些氣體首先將其周圍的熔渣撐開形成氣泡，然后這些氣泡上浮到渣層部，最后溢出渣層。由于熔渣表面張力的作用，有相當一部分氣泡將在熔渣上部聚集，使得熔池的上部渣層變成泡沫狀態。這一過程在熔融還原中被稱作熔渣起泡，形成含大量氣體的上部渣層即為泡沫渣，泡沫渣對于熔融還原生產極為不利。據相關文獻說明以及 HIsmelt 的生產實踐證明，熔渣中碳含量的對抑制泡沫渣的形成有利，當渣中碳量/渣量的重量比< 0.1時，熔渣會急劇起泡，而在礦石加入速度一定條件下，當具備了足以抑制起泡的碳量時，發現渣層厚度反而降低的現象。但是，當渣中碳量過多時(碳量/渣量>0.3)，二次燃燒率會下降。另外，頂吹氧的實驗結果表明，若炭渣比>0.1，爐渣體積增加一倍;若炭渣比<0.1時，則爐渣的體積迅速升高，可見低潤濕性的碳質材料夠破壞泡沫的結構，或者是碳質材料通過建立新的CO氣泡的同時，加速了泡沫的消失。
另外，Katayama 等研究表明，渣中的碳材對傳熱傳導起著重要的作用，理由是：1)石墨質的導熱系數比泡沫渣和熔鐵的大;2)石墨的黑度系數(粗糙表面約0.8)比熔渣(約0.65)和熔鐵(約0.5)的大，更加有利于輻射熱量的傳導。
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由此可見，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為 0.1～0.3 的范圍內，有利于抑制泡沫渣，而且對二次燃燒率的控制有益。按照噸鐵渣量400 kg考慮，則噸鐵渣中含碳量應控制在40～120 kg。
4.5 未燃燒的碳量
入爐的煤粉除了以上4個方面的作用，剩余的碳量大部分隨著SRV爐煤氣作為爐塵帶出，煤氣帶出煤粉量的大小直接影響SRV爐煤粉的用量及利用率。根據實際生產經驗可知，經SRV爐帶出的粉塵中碳含量較高，而其中的碳以半焦顆粒狀存在，經沉降室、余熱鍋爐出來的半焦顆粒，主要成分見表2(灰分中含有其他爐渣成分)。根據現場實際粗略統計，進入煤氣系統未然碳的數量約占入爐煤總量的 5%。如此多的未然煤粉在 SRV 爐系統內循環，直接導致煤粉的利用率降低及能耗的增加，不符合節能減排的要求;另外因為煤氣中含塵量(半焦)大，對后續工序廢氣罩、高溫旋風除塵器、煤氣洗滌和污泥系統的正常運行均造成不同程度的影響。因此分析研究SRV爐煤氣中煤粉含量高的原因以及在操作中如何降低其含量，提高煤粉的燃燒及利用效率是非常必要的。
5 煤粉利用效率的影響因素
由鐵浴式熔融還原物料平衡和熱平衡可知，影響終還原能耗的主要因素有：鐵礦石的預還原度、燃料的種類、二次燃燒率、二次燃燒率傳熱效率、燃料中H2/C比以及包含鐵礦石品位、煤灰分、熱損失等的其他因素。假定在原料品位及成分一定的情況下，且不考慮鐵礦粉預還原度的影響，分析不同操作參數，包括熱風噴槍安裝高度、熔池內渣層厚度、操作壓力等，對煤粉利用效率的影響。
5.1 熱風噴槍的高度
根據文獻得知[2]，當二次燃燒在渣層上面進行時，利用提高氧槍位可以提高二次燃燒率。渣中焦炭的燃燒量與氧槍槍位的關系：
lgA=const+1.36lgRe-0.59lg(L/d)。
式中：L為槍位的高度;d為噴槍直徑;Re為氧流在噴嘴處的雷諾準數;A為渣中焦炭的燃燒量。
由上式可知，槍位越高，焦炭燃燒量越小，即二次燃燒率越高。
5.2 渣層厚度的影響
選取國內HIsmelt工廠實際生產中典型操作經驗分析，在SRV爐排渣期前后以及出渣過程中二次燃燒率均有變化。具體表現為：選取壓力相同條件下數值，在排渣開始之前一段時間內，隨著冶煉的進行，爐內渣量逐漸增大，相應渣層厚度也增加，對應的二次燃燒率逐漸降低，在出渣過程中，SRV爐壓力幾乎不變，此時間段內隨著出渣時間的延長，爐內渣層厚度逐漸減薄，而二次燃燒率逐漸增大;在出渣后的一段時間內，由于渣層較薄，二次燃燒率幾乎保持不變。由此可以得知，渣層的厚度變化對二次燃燒率的大小具有一定的影響，渣層越厚，渣面到噴槍的間距越小，二次燃燒率越小。該結論與文獻所述的保持較高的、穩定的渣面高度，有利于擴大渣層內的二次燃燒區，有利于提高二次燃燒率的結論是一致的。因此，在實際操作中，可以通過穩定的供料速度、控制出渣時間以及出渣頻率來確保SRV爐內保持穩定的渣層高度，來達到穩定合理二次燃燒率指標，進而提高煤粉的利用效率，因為二次燃燒率的高低直接反應了煤粉利用效率的高低。
5.3 操作壓力變化
實際生產中 SRV 爐屬于帶壓操作，因此根據燃燒熱力學條件，在壓力增大時，在熔池上部二次燃燒反應(5)、(6)有利于向正反應方向進行，即提高 SRV 爐的操作壓力，有利于二次燃燒率的提高，進而提高入爐煤粉的有效利用率，降低噸鐵工序能耗。
截取某一階段的實際生產數據，在噴礦量106 t / h、噴煤 60 t / h、熱風含氧量為 37%、熱風溫度 980 ℃、熱風流量為122 400 m3 /h的情況下，繪制操作壓力與二次燃燒率的變化趨勢圖。明顯看出，實際生產中二次燃燒率與SRV爐操作壓力的變化趨勢相同，隨著操作壓力的提高二次燃燒率增加，進而也進一步說明在鐵浴式熔融還原冶煉中，操作壓力的變化影響二次燃燒率高低。因此合理的操作壓力，對提高提高煤粉的利用效率也是十分重要，適當提高操作壓力，有利于降低煤粉的消耗。
6 HIsmelt工藝生產實踐
HIsmelt技術經過近40 a的研發和實驗室驗證、工業化生產，截至目前，已經歷兩次工業化生產。
第一次：在澳大利亞奎那那工廠，2005—2008 年;約生產生鐵塊388 273 t，受世界金融危機影響， HIsmelt奎那那示范廠2008年停產，且不再復產。
第二次：國內墨龍公司于 2012 年確定引進 HIsmelt 熔融還原煉鐵技術，在原工藝流程的基礎上經過優化、升級等措施，該項目于2016年6月建成投產，投產至今經過不斷的優化完善，累積操作經驗，優化生產指標，先后經歷十多次的停開爐探索實踐，通過不斷調試摸索，墨龍HIsmelt技術團隊先后解決了SRV爐熱平衡的穩定性控制、物料噴吹的反應性研究、熔融還原 SRV 爐泡沫渣控制、DCS 系統的穩態控制、物料的平衡反應模擬、流體動力學優化、熱力系統改進、礦粉輸送防堵塞系統升級、磨煤系統改造升級、還原劑噴吹系統邏輯優化、噴槍結構優化、煙氣循環系統改造等一系列影響工藝連續性與技術穩定性的關鍵難題，并在此基礎上，依托墨龍集團的裝備制造技術優勢對核心設備進行了優化設計與重新加工制造。截至目前，共計產出約150萬t鐵水，當前日最高產量達到2 026 t、月產量達到 55 214 t，設備不間斷作業已達到 157 d， 2020年全年實際作業305 d，產能約53萬t。
通過兩次生產指標的對比可以看出，引進后的技術指標均超過原澳大利亞工廠生產指標，究其原因可以從兩方面考慮：1)墨龍 HIsmelt 工廠設計是基于原澳大利亞工廠設計生產實踐經驗基礎上完成的，使得工藝流程更加完善、設備配置及選型更加合理;2)隨著墨龍 HIsmelt 工藝技術在國內的深入發展，以及從業人員對 HIsmelt 工藝技術更加熟悉，操作經驗的逐步積累優化，對工藝操作參數的選取以及優化控制變得更加成熟。
通過生產實踐檢驗，墨龍 HIsmelt 工藝的優越性得到充分體現，無論是原、燃料選取的靈活適應性、較低的冶煉成本、操作簡單靈活、環境友好型還是鐵水質量的穩定和優質等優點，均得到了很好的驗證，也更進一步說明HIsmelt技術是可行的。
7 結 論
7.1 對 HIsmelt 熔融還原煉鐵工藝進入 SRV 爐的煤粉的流向及功能進行詳細分析，進入SRV爐的煤粉除了提供還原劑和熱量外，還起著抑制泡沫渣的作用。
7.2 在不考慮其他條件的情況下，噴槍安裝高度、渣層厚度以及操作壓力均會對二次燃燒率的大小產生影響，即：噴槍到渣面的距離越近，二次燃燒率越小;渣層厚度越厚，對應的二次燃燒率也越小;提高SRV爐操作壓力，二次燃燒率增大，有利于提高煤粉的利用率。
7.3 HIsmelt熔融還原工藝是商業化的熔融還原煉鐵工藝之一，隨著現有工業化裝置的穩定運行， HIsmelt 工藝將會越來越成熟，未來將成為我國熔融還原煉鐵工藝的發展方向。——論文作者：賈利軍，湯彥玲
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