摘  要  本文簡單介紹了HISmelt工藝及其特點，重點對HISmelt工藝在國產(chǎn)化過程中對包括礦粉預(yù)熱系統(tǒng)、礦粉噴吹系統(tǒng)、鐵渣系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t及動力系統(tǒng)的改進(jìn)情況進(jìn)行了說明，同時對國內(nèi)某廠HISmelt工藝實際生產(chǎn)情況作了簡單介紹。

關(guān)鍵詞  熔融還原  HISmelt

1  HISmelt工藝簡介及特點

1.1  工藝簡介

HISmelt是一種直接熔融還原的煉鐵工藝，該工藝可直接熔煉經(jīng)預(yù)熱處理的鐵礦粉和其他適合的含鐵原料，并噴吹煤粉作為系統(tǒng)的還原剤及熱量來源。相對傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝，HISmelt熔融還原煉鐵工藝省去了燒結(jié)及焦化兩個環(huán)節(jié)，在同樣產(chǎn)能下節(jié)省了大量的投資及運(yùn)行成本，且這種工藝在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量蒸汽及富余煤氣均可以用于發(fā)電，使其生產(chǎn)系統(tǒng)的能源利用效率很高，應(yīng)用前景廣闊。HISmelt工藝設(shè)施包括礦粉預(yù)熱及噴吹系統(tǒng)、煤粉制備及噴吹系統(tǒng)、熔融還原爐（SRV爐）、熱風(fēng)爐、出鐵場、渣處理及濕法除塵等系統(tǒng)，除礦粉預(yù)熱、熱礦噴吹系統(tǒng)與SRV爐體部分同傳統(tǒng)高爐不同外，其他部分類似于傳統(tǒng)高爐，其工藝流程簡圖如下。

1.2  主要特點

（1）工藝流程短、工廠建設(shè)相對簡單、占地面積小。

（2）操作簡變、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)勢明顯，沒有二次污染物排放，取消焦?fàn)t、燒結(jié)，基本遏制二惡英、呋喃、焦油和酚的污染排放。

2  引進(jìn)HISmelt與澳大利亞HISmelt工藝不同

引進(jìn)HISmelt工藝項目是基于澳大利亞HISmelt工藝商業(yè)化成功的基礎(chǔ)上引進(jìn)建設(shè)的，但是在引進(jìn)過程中結(jié)合原澳大利亞的生產(chǎn)實踐，對工藝路線、部分技術(shù)方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)和部分設(shè)備的國產(chǎn)化設(shè)計，下面針對主要變化內(nèi)容進(jìn)行說明。

2.1  礦粉預(yù)熱系統(tǒng)

礦粉預(yù)熱系統(tǒng)的主要功能是完成鐵礦粉的預(yù)熱、預(yù)熱還原，目的是減少入爐鐵礦粉在SRV爐內(nèi)熱量的消耗，提高SRV爐的冶煉強(qiáng)度，進(jìn)而提高產(chǎn)量。原澳大利亞該系統(tǒng)采用流化床工藝，具體流程是采用串聯(lián)的三級旋風(fēng)裝置+流化床工藝，采用SRV高溫煤氣或者天然氣燃燒的高溫尾氣作為預(yù)熱預(yù)還原的熱源，通過高溫氣體與鐵礦粉在流化床和三級旋風(fēng)裝置內(nèi)實現(xiàn)對流換熱，最終達(dá)到預(yù)熱預(yù)還原礦粉的目的。通過在澳大利亞工廠的運(yùn)行實踐證明，該工藝因鐵礦粉對多級旋風(fēng)裝置及流化床內(nèi)襯的磨損，引起耐材的頻繁脫落，以及螺旋輸送機(jī)的故障，導(dǎo)致礦粉預(yù)熱系統(tǒng)故障頻繁，成為影響HISmelt工藝正常生產(chǎn)的主要問題之一。

在引進(jìn)HISmelt工藝設(shè)計中，結(jié)合國內(nèi)實際情況，將原有多級流化床工藝改為兩段式回轉(zhuǎn)窯工藝，其具體工藝流程是：通過礦石緩沖倉接收來自原料場的鐵礦粉，緩沖后將礦石導(dǎo)入烘干窯，在烘干窯內(nèi)將鐵礦粉脫水干燥，從烘干窯排出的礦粉溫度約80～100℃。經(jīng)烘干窯脫水烘干的礦粉經(jīng)導(dǎo)料槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)預(yù)熱還原窯，在回轉(zhuǎn)預(yù)熱還原窯內(nèi)將鐵礦粉進(jìn)一步加熱，同時盡可能多的將鐵礦石預(yù)還原（提高鐵礦粉含鐵量），最終使鐵礦粉的出口溫度達(dá)到750℃以上，礦粉經(jīng)回轉(zhuǎn)預(yù)熱還原窯出口排出進(jìn)入熱礦斗式提升礦粉干燥預(yù)熱需要的熱量采用SRV爐產(chǎn)生煤氣+煤粉燃燒所得，同時為提高鐵礦粉與還原度，考慮在回轉(zhuǎn)預(yù)熱還原要尾部加入部分煤粉?；剞D(zhuǎn)預(yù)熱還原窯產(chǎn)生的尾氣首先經(jīng)過烘干窯，作為烘干窯的熱源，最后回收尾氣帶走的鐵礦粉，另外，充分降低尾氣排放溫度，減少熱量損失。其流程如下圖1：

經(jīng)實踐檢驗，改進(jìn)后的工藝既實現(xiàn)了礦粉的加熱、預(yù)還原的目的，且技術(shù)成熟、穩(wěn)定；同時，改進(jìn)后的預(yù)熱還原系統(tǒng)既可以采用煤粉也可以采用SRV煤氣作為燃料，同時設(shè)計獨立的煤粉供應(yīng)系統(tǒng)，操作靈活，不受上下游工序的影響，作業(yè)率高，對提高HISmelt工藝整體的作業(yè)率有利。

2.2  礦粉噴吹系統(tǒng)

熱礦噴吹系統(tǒng)主要功能是將來自礦粉預(yù)熱系統(tǒng)的高溫鐵礦粉通過噴吹管路、噴槍噴入SRV爐內(nèi)。該系統(tǒng)采用并聯(lián)串罐噴吹系統(tǒng)，每個噴吹罐對應(yīng)一條噴吹管線，，每條熱礦噴吹管線均設(shè)有清堵和反吹管道，同時噴吹罐出口設(shè)有耐磨、耐高溫密封螺旋輸送機(jī)。該系統(tǒng)在國產(chǎn)化過程中改進(jìn)的內(nèi)容主要是針對原熱礦噴吹系統(tǒng)噴吹壓力、以及噴吹罐結(jié)構(gòu)和螺旋給料機(jī)等問題進(jìn)行了優(yōu)化，具體：1）為提高系統(tǒng)的噴吹能力及降低噴吹管道堵塞問題，提高了噴吹系統(tǒng)的整體設(shè)計壓力；2）修改了噴吹罐、熱礦倉的結(jié)構(gòu)，增加有助于物料流動設(shè)施，減少物料在倉罐內(nèi)板結(jié)，影響物料的流通。

同時結(jié)合回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行特點，礦粉預(yù)熱系統(tǒng)將會產(chǎn)生大量的細(xì)鐵礦粉，因此增加細(xì)礦粉噴吹系統(tǒng)，噴吹管路并入熱礦粉輸送道，直接噴吹入爐，也可以實現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)其他含鐵粉塵的噴吹，提高資源的合理利用能力，降低了粉塵對環(huán)境的污染。

經(jīng)實踐檢驗，改進(jìn)后系統(tǒng)整體運(yùn)行比較穩(wěn)定，出現(xiàn)因螺旋給料機(jī)故障導(dǎo)致物料停噴現(xiàn)象，究其原因是設(shè)備制作以及維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致，未出現(xiàn)熱礦輸送管道堵塞現(xiàn)象。

2.3  出鐵、渣處理系統(tǒng)

2.3.1  出鐵系統(tǒng)

因項目引進(jìn)過程中涉及設(shè)備利舊問題，主要包括出鐵場設(shè)備、鐵水脫硫系統(tǒng)、電動平車、液壓傾翻等設(shè)備以及SRV爐進(jìn)出接口約束，新設(shè)計的出鐵場布置與原設(shè)計相近，原設(shè)計生產(chǎn)的鐵水全部通過鑄鐵機(jī)進(jìn)行鑄鐵，而新設(shè)計為實現(xiàn)與業(yè)主方煉鋼車間的對接要求，在鐵水運(yùn)輸方面做了以下幾方面的改進(jìn)：（1）延長了出鐵跨的設(shè)計，增加了45t鐵水罐直接運(yùn)往煉鋼車間的運(yùn)輸通道，可實現(xiàn)與業(yè)主煉鋼車間的直接對接；（2）保留了原設(shè)計80t鐵水包內(nèi)脫硫、運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計，增加了45t倒運(yùn)設(shè)施，可以實現(xiàn)鐵水脫硫后，與煉鋼車間的匹配。

2.3.2  殘鐵回收

當(dāng)SRV事故狀態(tài)時，需要將爐內(nèi)的殘鐵全部排出，原澳大利亞工廠的設(shè)計是直接將殘鐵排入殘鐵坑，根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，一次殘鐵量約300t鐵水，因此大量的殘鐵直接放入殘鐵坑給后續(xù)使用帶來很大不便，同時導(dǎo)致大量的鐵水顯熱浪費不能回收利用。新設(shè)計中通過增加殘鐵回收跨，殘鐵回收跨內(nèi)設(shè)置有殘鐵接鐵工位，可以使的SRV爐的殘鐵經(jīng)殘鐵接鐵工位，然后經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)至鑄鐵機(jī)鑄鐵，實現(xiàn)資源的合理利用。

2.3.3  渣處理系統(tǒng)

原HISmelt工藝設(shè)計中，對爐渣的處理方式是直接放干渣，根據(jù)原澳大利亞工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在渣中的含鐵量達(dá)到10%。按照年產(chǎn)80萬噸鐵，噸鐵渣量為350kg計算，每年將產(chǎn)生28萬噸熔渣,其中會含有2.8萬噸的鐵。因此，直接放干渣將導(dǎo)致大量的生鐵隨熔渣一起凝固，不能有效回收，導(dǎo)致大量生鐵資源的浪費，而且大量的熔渣凝固，不利于熔渣資源的二次利用。

引進(jìn)的設(shè)計在吸取原設(shè)計的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)多方討論研究，為實現(xiàn)熔渣的合理利用以及渣中生鐵的回收，熔渣處理采用高爐工藝比較成熟的水沖渣技術(shù)，同時在熔渣?；?，增加了熔渣中生鐵回收單元，但仍保留了事故狀態(tài)時，直接放干渣的設(shè)計。新設(shè)計的熔渣處理流程如下（參見圖2）：混有生鐵的熔渣經(jīng)熔渣溝流入渣罐內(nèi)，待出渣結(jié)束時，啟動渣罐運(yùn)輸車，將盛滿熔渣的渣罐運(yùn)輸?shù)皆迌A翻工位，利用渣罐傾翻裝置將渣罐卸下，同時停滯于渣罐傾翻裝置上使得渣鐵進(jìn)行充分分離，停滯時間約20~40分鐘（可根據(jù)生產(chǎn)實際調(diào)節(jié)），待置放于渣罐傾翻裝置上的渣罐內(nèi)的熔渣得到充分沉淀后，利用渣罐傾翻裝置將渣罐內(nèi)的熔渣緩慢的傾倒入熔渣溝進(jìn)入熔渣?；到y(tǒng)中進(jìn)行處理，待渣罐口見鐵時渣罐傾翻裝置停止傾翻，利用專用起重機(jī)將渣罐吊起、罐內(nèi)沉淀的鐵水倒入鐵水罐內(nèi)，鐵水罐車將鐵水罐運(yùn)送到接鐵工位繼續(xù)接鐵，傾倒完鐵水的渣罐經(jīng)起重機(jī)放置到指定位置，等待下一次循環(huán)。

經(jīng)實踐檢驗，新設(shè)計的熔渣處理系統(tǒng)在實現(xiàn)熔渣粒化的同時，可以實現(xiàn)將渣中的部分生鐵回收。但是，在熔渣中生鐵回收時，出現(xiàn)熔渣粘包的問題比較嚴(yán)重，導(dǎo)致渣包清理工作量大、時間長等問題，使得被迫放干渣次數(shù)增大，大大影響熔渣的再利用。為解決粘包的問題，結(jié)合國內(nèi)實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，熔渣中鐵含量較原設(shè)計少，所以為解決渣包粘結(jié)對生產(chǎn)造成的影響，最終將原熔渣回收單元取消，直接改為水沖渣?；?，經(jīng)實際使用改進(jìn)后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)作業(yè)率明顯提高。

2.4  SRV爐煤氣系統(tǒng)

SRV爐煤氣是指經(jīng)SRV爐排出的高溫煤氣，經(jīng)過后續(xù)處理所包含的設(shè)施，原澳大利亞工廠SRV爐產(chǎn)生大量的高溫煤氣，先經(jīng)過SRV上方的廢氣煙罩，通過對流換熱方式進(jìn)行冷卻，離開廢氣煙罩的煤氣溫度約為1000°C。該煤氣將被分成兩部分：一部分熱煤氣送至礦粉預(yù)熱器，對礦粉進(jìn)行預(yù)熱還原，預(yù)熱還原后的煤氣溫度約為260℃，然后再進(jìn)行濕法洗滌，去除顆粒物供下游用戶使用；剩余部分熱煤氣直接進(jìn)行濕式洗滌塔去除顆粒物，經(jīng)由洗滌塔清洗降溫的煤氣進(jìn)入下游用戶使用，洗滌工藝與礦粉預(yù)熱后的煤氣相似。其工藝流程如下圖3。

新設(shè)計的SRV爐煤氣系統(tǒng)主要考慮了高溫氣體顯熱回收，其主要過程是SRV爐產(chǎn)生大量的高溫煤氣同樣先經(jīng)過SRV爐上方的廢氣煙罩進(jìn)行降溫冷卻，而冷卻后的煤氣溫度約880℃，然后再通過重力沉降室、高溫旋風(fēng)除塵器和余熱鍋爐，進(jìn)行初除塵和進(jìn)一步的顯熱回收，再進(jìn)入煤氣洗滌系統(tǒng)進(jìn)行最終凈化洗滌。其具體內(nèi)容如下。

（1）延長了SRV爐氣化煙道的設(shè)計：將SRV煤氣溫度由原設(shè)計的1000℃降低到880℃，目的是提高熱回收效率，降低高溫旋風(fēng)以及預(yù)熱鍋爐設(shè)施的熱負(fù)荷。

（2）增加沉降室+高溫選粉除塵器的設(shè)計：因為引進(jìn)后的設(shè)計中取消了原有的循環(huán)流化床礦粉預(yù)熱流程，所以SRV爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)冷卻廢氣罩降溫后（溫度880℃）全部經(jīng)重力沉降后再進(jìn)入高溫旋風(fēng)除塵器，沉降室的目的是去除煤氣中攜帶的較大顆粒煙塵，防止后續(xù)煤氣管道積灰堵塞。經(jīng)沉降室出來的高溫氣體再進(jìn)入高溫旋風(fēng)除塵器進(jìn)行二次除塵，使得煤氣的到近一步凈化，其目的是降低氣體的含塵量，提高氣體的對流換熱系數(shù)。經(jīng)高溫旋風(fēng)除塵器沉降的含鐵粉塵，經(jīng)緩沖灰倉緩沖后，通過氣力輸送系統(tǒng)送到熱礦粉倉，通過噴吹系統(tǒng)進(jìn)入SRV爐，循環(huán)利用。

（3）預(yù)熱鍋爐的設(shè)計：回收經(jīng)沉降室、通過高溫旋風(fēng)二次除塵的高溫氣體顯熱，煙氣在余熱鍋

爐內(nèi)依次經(jīng)中壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器等換熱面被冷卻，被冷卻后的氣體（溫度約250℃）在進(jìn)入煤氣濕法洗滌系統(tǒng)。

（4）旁通煙道的設(shè)計，為提高系統(tǒng)作業(yè)率，考慮在余熱鍋爐發(fā)生故障時，不影響SRV的正常生產(chǎn)，在余熱鍋爐進(jìn)、出口間增加旁通管，當(dāng)余熱鍋爐出現(xiàn)故障時，高溫氣體通過旁通管直接進(jìn)入濕法洗滌系統(tǒng)。

改進(jìn)后的SRV爐煤氣系統(tǒng)具體流程如下圖4所示。

2.5  燃?xì)忮仩t及動力系統(tǒng)

燃?xì)忮仩t及動力系統(tǒng)也可稱為廢熱回收系統(tǒng)及動力系統(tǒng)，燃?xì)忮仩t系統(tǒng)主要是指燃?xì)忮仩t及其附屬設(shè)施，而動力系統(tǒng)主要指為SRV爐提供熱風(fēng)的鼓風(fēng)系統(tǒng)以及制氧站的驅(qū)動系統(tǒng)，二者放在一起考慮是由于原澳大利亞的設(shè)計燃?xì)忮仩t與鼓風(fēng)、發(fā)電、制氧系統(tǒng)是相互連鎖、相互依賴的，主要表現(xiàn)為：TAB透平鼓風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)、以及制氧系統(tǒng)的驅(qū)動方式都采用氣動驅(qū)動，動力來源是燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽，換句話說，只有燃?xì)忮仩t產(chǎn)生足夠的蒸汽時，TAB鼓風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)、制氧系統(tǒng)才能啟動正常生產(chǎn)，所以當(dāng)燃?xì)忮仩t故障時，制氧系統(tǒng)以及TAB鼓風(fēng)系統(tǒng)是無法正常工作的，將直接導(dǎo)致SRV爐停爐。在新設(shè)計時，對燃?xì)忮仩t、鼓風(fēng)及發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，其具體內(nèi)容如下：

（1）因為考慮原有的氣動鼓風(fēng)機(jī)以及透平發(fā)電機(jī)組利舊，所以保留原有系統(tǒng)的設(shè)計；同時根

據(jù)鍋爐產(chǎn)氣量，另外新增一臺30MW中溫中壓抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。

（2）避免由于鍋爐出現(xiàn)故障時，影響SRV的正常運(yùn)行，另外增設(shè)一臺電動鼓風(fēng)機(jī)作為SRV開爐和鍋爐故障時的備用風(fēng)機(jī)，以維持SRV爐正常生產(chǎn)，鼓風(fēng)機(jī)采用全靜葉可調(diào)軸流式鼓風(fēng)機(jī)。

（3）將原來的鍋爐直接驅(qū)動制氧機(jī)方式改為獨立電驅(qū)動制氧，防止由于鍋爐故障影響制氧系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

經(jīng)實踐檢驗，新設(shè)計的燃?xì)忮仩t及動力系統(tǒng)因各系統(tǒng)間相互獨立、不受上游工藝的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和作業(yè)率得到了很大提高，為SRV系統(tǒng)整體作業(yè)率的提高提供了保障。同時因電動鼓風(fēng)機(jī)以及制氧機(jī)均為國內(nèi)成熟的工藝設(shè)備，全部國產(chǎn)化，也有助于降低HISmelt工藝系統(tǒng)的投資和進(jìn)一步推廣。

3  生產(chǎn)實踐

該項目與2016年6月2日凌晨2:45正式點火，開始烘爐，于8月 15日出第一包鐵水。在一年多的時間了，通過不斷調(diào)試試，隨著現(xiàn)場工作人員對工藝流程和生產(chǎn)操作的逐步熟悉，以及對故障設(shè)備的檢修更換、工藝流程的進(jìn)一步修改完善，工廠生產(chǎn)產(chǎn)能、運(yùn)行穩(wěn)定性均有很大提高，目前運(yùn)行指標(biāo)為生產(chǎn)以來最高，達(dá)到設(shè)計產(chǎn)能的80%。具體操作指標(biāo)如下。

3.1  截止目前以來的最佳操作紀(jì)錄，見表1。

3.3  投產(chǎn)以來最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（2017年底），表3。

4  總結(jié)

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)，通過國外、國內(nèi)兩座商業(yè)化工廠的實踐檢驗，其工藝可行性無容置疑，隨著國內(nèi)工廠、工作人員對工藝路線以及操作的不斷熟悉，再加上中國冶金行業(yè)的強(qiáng)大設(shè)備制造能力和工藝技術(shù)創(chuàng)新能力，相信HISmelt熔融還原工藝因可以直接采用原礦、不需要造球、使用非焦煤、流程短、操作簡單等優(yōu)越性成為我國未來熔融還原煉鐵技術(shù)的發(fā)展的方向。