ML-HIsmelt技术在奎那那工厂的探索与实践
一 奎那那HIsmelt工厂的建设意义2005年，西澳大利亚奎那那HIsmelt工厂建成投产，作为世界上第一座工业化的海斯梅特工厂，代表了冶金领域的一个革命性进步，为全球社会带来了重要的经济和环境效益。该项目由Aker Kvaerner和Clough公司负责，与HIsmelt公司合作开发，耗资超过4亿美元，是澳大利亚乃至全球钢铁领域一项创新性工程。
图1-1 奎那那HIsmelt工厂奎那那HIsmelt工厂的建设是希望在可控和安全的大规模工厂生产情况下发现问题，在进行大规模商业化推广之前使该技术日臻完善。在奎那那HIsmelt工厂建设和运行期间，项目建设者进行了大量的开拓性和创新性的工作，充分利用前期中试设施建设的经验，借鉴其他先进成熟的技术，选用知名设备供应商，都将为HIsmelt工业化工厂的建设提供强有力的支撑。
图1-2 经济观察报特别报道（2007年6月）作为一项颠覆百年高炉冶金技术的熔融还原冶金技术，能够大幅度促进钢铁行业的节能减排，促进钢铁冶金工业的健康发展。奎那那HIsmelt工厂荣获西澳洲能源业最高环保荣誉奖-2008金蜥蜴奖，这是对ML-HIsmelt技术在低排放、高环保的冶金新技术开发过程所做工作的肯定和鼓励。在奎那那HIsmelt工厂运行期间，吸引了各国政府机构和钢铁企业的广泛关注，我国多位国家领导人和宝钢、首钢等三十余大型钢铁企业先后到访，莱钢、淮钢等签订技术合作协议。ML-HIsmelt工艺技术的价值，主要体现在节能环保先进性和原料适用性，对于我国钢铁领域节能减排和开发储量丰富的高磷铁矿具有重要意义。二 奎那那HIsmelt工厂的建设运行工厂从2003年1月开工建设，一直到2005年4月建成投产。工厂的设计、采购和管理由Aker Kvaerner和Clough公司组成的联合体负责，基于联合体多年来与HIsmelt合作及其具备的技术诀窍，Clough公司具备的施工管理经验将为项目建设提供有力支撑。奎那那HIsmelt工厂于2004年5月开始最初的设备冷调试，最早开始区域为磨煤和干燥设施，该系统由锤式磨煤机和喷吹系统组成，用于为反应提供喷吹煤；2004年9月到12月期间对烟气脱硫、热风炉、原料处理、预热器、污水处理和废热回收系统进行调试。
图2-1 磨煤和干燥设施
图2-2 矿粉预热器2005年2月，奥托昆普公司对矿粉预热器进行热调试；与此同时，HIsmelt操作团队正式接管奎那那工厂。操作团队于5月份开始熔融还原炉生产及系统调试，对生产操作及煤气回收系统进行调试。奎那那HIsmelt工厂充分借鉴SSPP试点、HRDF中试和ISRV中试的探索经验，在工艺流程上借鉴多项先进成熟技术，保证了该装备流程的工艺可行性和设备可操作性，其最佳作业指标如表2-1所示，但仍然还存在一些尚待改进之处。表2-1 HIsmelt最佳作业指标项目指标时间日最高产量1834 t2008年12月周最高产量11106 t2008年12月月最高产量37345 t2008年05月最低煤耗810 kg/tHM2007年08月周最高作业率99 %2008年06月连续生产记录68天2006年04～ 06月年产量9000 t2005年89000 t2006年114870 t2007年82218t截止到2008年06月主要的经验教训在于：（1）铁水在出铁前炉（第1次开炉装铁水）中发生冻结，导致重新贯通出铁前炉和还原炉炉体之间的连通管。如果出铁前炉不能正常工作，则无法在保证安全的前提下进行冶炼。在制定了相应的对策之后，后期没有出现过类似情况。（2）2007年3月，还原炉内出现了碳平衡失控的状况，导致出现了泡沫渣现象（部分原因是炉渣温度较低加之矿石喷吹过量）。这种情况在被发现前持续了6h，在此期间炉内铁水大部分被熔炼成了半钢，造成在水冷壁上结瘤约200-300 mm厚，并在冷却的作用下对管路形成了相当大的应力，出现水管破裂。有鉴于此，工厂停炉清除了结瘤并更换了部分水冷壁。操作团队开发了相应的软件识别系统，强化了对操作人员的培训，设置了在线炉尘含碳量反馈系统，进行实时数据显示，以确保及时发现还原炉中是否发生碳的亏损。（3）2007年12月，由于耐材热面机械应力和侵蚀原因，导致还原炉发生铁水烧出事故。事故得以安全处理，并且显示炉体设备周围的安全系统工作正常。事故的核心原因是未能及时监控关键区域耐材的状态，由此导致炉壳的热态行为。具体的对策除了加强操作人员培训外，有选择地在渣线铜水箱区域和其他关键区域设置了永久性炉壳温度测量装置。三 奎那那HIsmelt工厂的工艺研究ML-HIsmelt的工艺特点使其可以处理低品位的原料，即可以使用在高炉流程中基本不能使用的经济原料。经过80万吨奎那那HIsmelt工厂的工业实践，证明了ML-HIsmelt工艺在工业化生产中的可靠性。采用高速喷枪进行固体料喷吹，即使超细粉也可以使用，具有很强的原料适用性；加上独特的炉内环境，保证了80%-90%的磷进入炉渣中。正是广阔的原料适用性和很强的脱磷能力，使得ML-HIsmelt工艺的具有很高的应用价值和推广空间。
图3-1建设中奎那那工厂
图3-2 奎那那工厂出铁（1）HIsmelt工艺的二次燃烧率较高，通常在60%～70%之间。用冷铁矿粉作原料，使用无烟煤时每吨铁耗煤量约为800～1200kg。（2）从试验结果看，该工艺对高磷粉矿（含磷量为0.12%）有较好的脱磷效果，脱磷效率平均达85%～95%。（3）HIsmelt工艺可以直接使用含铁工业废料，将其与矿粉混合喷入，无需进行原料造块，与使用粉矿作业相似，其铁回收率超过97%。废物里的锌、铅析出到炉尘中，并可以回收利用。（4）该工艺对不同挥发分的煤有较好的适应性。使用挥发分含量较高的煤时，因气化和裂化作用能耗较高。该工艺对煤的原始几何形态没有什么特殊要求，煤经磨碎后喷吹入炉。（5）在整个试验期内，生产的铁水质量较为稳定，与高炉工艺相比其铁水含硫高。该工艺可以对铁水的温度进行动态控制，也可对成渣条件进行优化，以达到最佳的生产率、提高铁水质量、减少耐火材料消耗。（6）耐火材料损耗率较低，预计反应炉连续生产的使用寿命可达到1年以上。此外固体料喷枪磨损率很低，反应炉自启用以来，未出现喷枪水冷系统漏水现象。（7）由于不使用焦炭及烧结矿，同时还能利用钢铁厂废料，HIsmelt工艺具有较好的环保效益，CO2排放量与同等规模的高炉比减少20%。四 奎那那HIsmelt工厂的实践经验澳大利亚80万吨奎那那HIsmelt工厂的生产实践，检验了该技术的工艺可行性和生产可操作性，为该技术的大规模商业化应用奠定基础。受经济危机影响，该工厂于2008年12月底暂时停产，对设备进行维护并根据经济情况适时重启。（1）单体生产效率高在HIsmelt流程中，燃料中的碳迅速溶解，这样进入熔池的氧化亚铁主要被铁液中的溶解碳所还原。由于溶解碳还原氧化亚铁的速度比固体碳还原氧化亚铁的速度高出1～2个数量级，其还原速度比其他熔融还原方法快。加上喷入煤粉在铁浴中的爆裂和分解，加强了对熔池的搅拌，这种搅拌效果比单纯底吹氮气的效果好得多，加强了熔池中渣铁的混合，进一步提高熔池中氧化亚铁的还原速度。此外，浸入式喷吹铁矿粉或用顶吹将矿粉喷入搅拌区，可保证喷入矿粉快速和熔池中的碳反应，此时反应产生的一氧化碳气体又进一步加强了对熔池的搅拌。矿粉和铁浴中溶解碳的直接还原过程，有利于限制渣中的氧化亚铁含量。铁浴中矿粉的直接还原速度，并不受限于反应区的工作状态和熔渣中的氧化亚铁的含量，故而HIsmelt流程的单体生产效率较其他熔融还原流程的高。（2）铁浴中碳的回收率高向铁浴底吹煤粉可以提高碳的回收率，向熔融反应器中浸入式喷煤不仅可以回收煤中的固定碳，而且可以使煤粉挥发分中的碳氢化合物裂解产生碳。碳的回收率是一项重要参数，因为未溶解在铁浴中的碳可能和炉气中的氧或二氧化碳反应，降低二次燃烧率；同时未溶解在铁浴中的碳还会随炉气逸出炉外，这将大大降低燃料的利用率和冶炼强度。（3）二次燃烧率高由于在HIsmelt流程中煤粉很快被铁液所溶解，可最大限度地降低散入炉气中的碳量，避免碳和炉气中的氧或二氧化碳的反应，从而有利于提高二次燃烧率。此外，采用热风操作可以限制气相中的氧浓度，缩短溅入气相中的铁液液滴和氧的接触时间，从而进一步提高二次燃烧率。（4）熔池上部反应强烈，二次燃烧传热速度快底部喷吹引起熔池强烈的搅拌和产生的大量液滴在熔池上方形成一个理想的传热区。金属液滴像喷泉形成的喷溅那样进入上部空间，将燃烧区的热量迅速带入熔池，如图4-1所示。
图4-1 熔渣传递二次燃烧率机制（5）吨铁煤耗低由于奎那那HIsmelt流程采用了直接向铁液喷吹煤粉的方法，提高了煤粉中固定碳回收率的同时，充分回收煤粉挥发分中的碳；采用温度高达1200℃的热风操作，直接向铁浴提供大量物理热，相当于铁浴总热收入的18%～20%。因此，ML-HIsmelt流程的吨铁煤耗势必较其他熔融还原法低。（6）对环境污染较小直接向铁熔池喷吹煤粉，煤粉挥发分在铁浴温度下充分裂解，消除了煤粉挥发分中有害的碳氢化合物对环境的污染。同时煤粉中的硫磺也将直接被铁液和熔渣所吸收，减少进入煤气的可能性，减少了煤气中的硫氧化物（SOx）的含量。五 ML-HIsmelt技术的思考与未来任何技术的发展初期都需要对出现的问题进行分析应对，这些经验和教训进一步强化了工艺理论和实践基础，实际生产过程中积累的诀窍将为工艺的最终成功起到重要作用。ML-Hlsmelt流程具有较强的经济优势及它对低品位含铁原料的处理能力，已经可以规模化地生产铁水，这一点已得到公认。熔融还原是冶金工业的最终目标，传统高炉流程面临着技术和环境制约，寻找可替代的技术是全球冶金工作者的期盼。熔融还原技术进行了多年的尝试与探索，但面临高炉技术的高成熟度、高效率和低成本优势，熔融还原技术的发展仍面临一定的压力和挑战，需要冶金工作者进行长期的改进和发展。经过KOBM可行性实验，到SSPP试点、HRDF中试和ISRV中试试验，ML-HIsmelt技术完成了理论研究与工艺中试试验的完整历程，奎那那80万吨级工业化HIsmelt工厂的建设，是对ML-HIsmelt技术的工业化检验和走向成熟的必经之路。从SSPP放大的HIsmelt工艺接近其预期的性能，其试验结果表明：Ml-HIsmelt流程能够生产出高质量的铁水，同时在其设备建造投资和生产费用上颇具竞争性。ML-HIsmelt的研究者认为，建造小规模的ML-HIsmelt熔融还原流程，其经济效益也可以同大规模的传统的焦炉-高炉流程相媲美。正是对自身工艺的不断完善和发展，才有了熔融还原冶金技术的进步和发展。我国钢铁工业发展迅猛，粗钢产量连续多年占据世界半壁江山，随着优质铁矿石资源和冶金焦的资源短缺、价格攀涨，导致高炉冶金成本增加。ML-HIsmelt技术基于自身工艺特点，直接使用廉价矿粉和丰富的非焦煤资源，大幅度降低原料成本，对高磷矿中P的脱除率达80%-90%，对开发我国储量丰富的高磷铁矿资源具有重要意义。随着我国钢铁行业日益严格的环保政策实行，有效提高钢铁行业发展质量和效益，大幅度削减大气污染物排放，将为打赢蓝天保卫战提供强有力的支撑。本文作者：张冠琪 王林顺 魏召强