流态化技术在世界熔融还原工艺中的应用

在20世纪五六十年代，流态化直接还原技术开始工业应用，典型的工艺有菲尼克斯（FINEX）工艺（采用多级串联流化床）、芬麦特（FINMET）工艺（采用多级串联流化床）、黑斯麦尔特（HIsmelt）工艺（采用循环流化床）、瑟科瑞德（Circored）工艺（采用循环流化床与鼓泡流化床的组合）、迪欧斯（DIOS）工艺。

流态化还原的特点是直接利用粉矿，以气体作还原剂，反应在气-固两相中进行。

矿粉在固态下直接还原成金属铁，接着在其他高温设备中熔融炼铁或直接粉末冶金。

相对其他的技术，流化床处理粉矿的成本较低，具有原料和设备利用率较高、热交换效率高等诸多优势，而且高温流化床反应器在化工等领域已广泛应用，也可以为流化床还原粉铁矿的工艺提供良好的借鉴。

1.流态化技术在熔融还原工艺中的应用
流化床在直接还原炼铁过程中有磁化焙烧生产铁精矿粉、预热和低度预还原粉铁矿、生产直接还原铁等冶金功能。

1）磁化焙烧铁精矿粉
磁化焙烧是将Fe2O3在还原气氛中焙烧得到磁化性的Fe3O4，经过磁选使Fe3O4与杂质分离，得到品位高的铁精矿。

1973年～1982年，为了开发攀枝花资源，我国进行了3次流态化还原综合回收钒钛铁的试验研究。

3次的试验结果表明，我国的流态化还原法在理论上是可靠的，工艺上是可行的，主体设备上是成功的，从而为向工业化过渡创造了条件。

2）预热和低度预还原粉铁矿
流化床预热和低度预还原粉铁矿工艺中的典型代表是HIsmelt 工艺和DIOS工艺。

HIsmelt工艺正处于工业化开发阶段。

矿粉经过整粒筛分除去大颗粒矿粉后经皮带输送到矿石预热器中进行预热和初级预还原。

整粒筛分后的粒度小于6mm，预热后的矿粉温度可达700℃～800℃，预还原度为10%～11%，处理后的热矿粉装入热矿仓等待喷吹。

为了缓解铁浴炉的压力，可提高预热粉铁矿的还原度，但是粉铁矿只经一级循环流化床预热还原，其还原度一般不超过25%。

DIOS工艺的预还原采用快速流化床与沸腾流化床组合的复合型流化床系统。

粉铁矿在一级预热流化床中预热到500℃～600℃，预还原度达到8%～9%；在二级流化床中粉铁矿温度升高到约780℃，还原度约为27%。

粗粉还原以沸腾床为主，细粉还原则在循环床中进行，且细粉还原炉在较高的炉压下工作，煤气流速相对缓慢，预还原仍在浮氏体范围内。

实践结果表明，低度预还原的DIOS未获得成功，也未实现工业应用。

3）直接还原生产DRI或HBI
目前，最常用的优质废钢的替代料是直接还原铁（DRI）和热压块铁（HBI）。

流化床是生产直接还原铁的常用装备，典型的工艺有FINEX （预还原预热炉料）、Circored和FINMET工艺等。

FINMET是工业应用较成功的工业装置，该工艺可直接用粒度小于12mm的粉铁矿，其生产装置由四级流化床顺次串联，逐级预热和还原粉铁矿。

第一级流化床反应器内温度约为550℃，最后一级流化床反应器内温度约为800℃，析碳反应主要发生在此流化床反应器内。

反应器内的压力保持在1.1MPa～1.3MPa。

产品的金属化率为91%～
92% ，碳质量分数为0.5%～3.0% ，产品热压块后外销或替代优质废钢。

流化床反应器顶部煤气与天然气蒸汽重整炉的新鲜煤气混合后作为还原煤气，混合煤气经过一个CO2脱除系统，在还原煤气炉内加热到830℃～850℃之后被送入流化床还原反应器。

新鲜煤气是为了补偿还原过程中消耗的CO和H2。

Circored工艺流程如下：粉铁矿进入初始阶段的循环流化床反应器之前，在循环流化床预热器中被干燥预热到850℃～900℃。

预还原的金属化率约为70%，粉料流入流化床反应器进行终还原，反应后其金属化率为93%～96%。

流化床被分隔以利于控制。

通过加热矿和循环气体为吸热还原反应提供热能。

整个还原工艺的绝对压力为4个大气压，还原温度在630℃～650℃。

预还原阶段的停留时间短，气体流速高；终还原的停留时间长，气体流速低。

从终还原炉产出的还原矿粉在700℃下被压成块（HBI），所以有利于安全贮存和运输。

FINEX工艺由三级流化床反应器串联组成，可以直接使用粒度小于8mm的粉铁矿，生产较高预还原度的DRI供熔化气化炉冶炼铁水。

粉铁矿和粉状熔剂（石灰石和白云石等）以及焦炭粉的混合炉料经干燥后，由垂直传送带和锁斗仓添加到三级流化床反应器系统。

炉顶煤气经除尘净化后约41%通过加压变压吸附去除CO2，使煤气中的CO2
从33%降到3%，然后返回一级反应器作为补充还原气体循环利用，有效地利用工艺内部能量循环，突破了FINMET工艺需要天然气的能源限制，降低了燃料比。

FINEX工艺的金属化率控制在50%～70%，有效地控制了流化床的黏结，扩大了流化床的产能，与有7米厚半焦床的熔化气化炉匹配更佳。

4）几种流化床处理粉铁矿工艺的比较
采用中高预还原度的FINEX、FINMET和Circored工艺都已经工业化，而低预还原度的HIsmelt和DIOS工艺处在半工业化和小规模工厂试验阶段。

上述几种工艺中预热粉矿多采用循环流化床床型，还原粉矿多使用鼓泡流化床。

除HIsmelt工艺外，其他工艺均采用多级流化床匹配运行，以此提高煤气利用率和增强工艺可行性。

2.熔融还原工艺中采用流态化技术的思考
现有的流态化直接还原工艺中FINEX用于熔融还原的工业化最为成功，浦项制铁把FINMET与克瑞克斯（Corex）这两种成熟的工艺
嫁接在一起，对这两种工艺的参数进行了优化。

这一点非常值得参考和借鉴，对开发熔融还原新工艺有重要的现实意义。

HIsmelt和DIOS工艺因预还原度较低而造成终还原炉负担过重，导致耐火材料侵蚀过快、燃料消耗高和仅能够维持间歇式冶炼等问题，难以实现工业化连续生产。

在开发和设计流态化预热预还原系统时，必须考虑合理的铁浴终还原系统的冶炼强度和还原能力。

在两步法熔融还原工艺中，流态化预还原和预热粉铁矿应达到80%左右的预还原度和800℃左右的温度。

高的预还原度虽能减轻铁浴炉的还原压力，但容易使流化床产生黏结和失流，影响流化床的操作稳定性。

流态化预热预还原系统可以直接高效地利用粉铁矿资源，省去造块（球）和烧结工序，减轻了环境污染，降低了生产成本，同时这也是实现高效熔融还原炼铁工艺的有效途径。

流化状态的选择要依据生产工艺的实际要求而定，可以采用同种床型的多级串联或者多种床型的组合系统。

在设计床型时必须考虑高温下粉矿和还原气体的性质及其反应特性。

适度降低粉铁矿的预还原度，能为流化床创造宽松的操作条件，解决或缓解黏结和失流等问题。

另外，将粉铁矿预热，能缓解铁浴终还原炉的热负荷强度，提高整个熔融还原工艺的熔炼效率并降低能耗。

煤气改质的冶金功能定位在调节和变换铁浴终还原炉产出的高
温煤气和流态化预热预还原系统的炉顶煤气。

如何综合利用产生煤气所携带的物理热和炉顶煤气的物理余热，直接关系到能否降低工艺系统的能耗。

煤气改质系统解决了高温煤气物理余热的利用问题。

煤气改质是利用高温煤气携带的物理余热作为改质热源，将物理热转化为煤气的化学能，提高了煤气的还原势和系统能量利用率。

煤气（富氢）改质能为预还原工序提供合格的还原煤气，提高预还原操作的工作效率，更好地匹配二步法熔融还原工艺中预还原和终还原的操作。

另外，循环利用流态化预还原的炉顶煤气的化学能和物理热，能够提高预还原炉料的产能，并进一步降低工艺的燃料消耗，同时也提高了铁浴终还原炉的生产率并延长了其寿命。

选择铁浴炉作为终还原系统的装备，一方面选用非焦煤作为燃料和还原剂，可以扩大冶金工业的能源适用性；另一方面直接使用高温（800℃左右）、较高预还原度（80%）的粉矿为炉料，能省去压块工序，节约成本。

铁浴熔池将熔解喷入的煤粉、矿粉和熔剂，并迅速进行还原反应，产生的气体对熔池进行强烈搅拌，能促进矿粉的快速还原，确保渣中的FeO处于较低的水平，减缓耐火材料的侵蚀，使其达到工业化生产要求。

溶解碳还原FeO比固体碳还原FeO高出1个～2个数量级，可以提高铁浴终还原炉的生产效率。

参考上述工艺，考虑到终还原产生煤气的温度和还原势与预还原工序的匹配，以及终还原炉的冶炼强度等因素，铁浴终还原炉的二次燃烧率控制在20%左右应该可行。

熔融还原工艺的燃料消耗远高于高炉流程，其最终能耗和操作成本在很大程度上依赖于尾气的综合利用。

输出煤气经煤气改质后可用于还原铁矿石生产碳化铁和海绵铁，或作为化工原料生产二甲醚，也可以利用输出煤气直接发电。

经过上述分析和思考，借鉴和参考现有的流态化熔融还原流程，提出一种采用流化床处理粉铁矿的熔融还原炼铁新工艺流程，包括流态化预热预还原系统、煤气改质系统、铁浴终还原系统和综合利用系统4个部分。

3.结语
第一，在炼铁工艺中流态化的应用有磁化焙烧生产铁精矿粉、预热和低度预还原粉铁矿和生产直接还原铁，典型的流化床处理粉铁矿的工艺流程有FINEX、FINMET、Circored和HIsmelt等。

第二，目前主流的熔融还原炼铁工艺流程均为二步法，采用中高预还原度和低二次燃烧率（Corex和FINEX已经工业化）的工艺可行性更佳，开发新的炼铁工艺流程理应遵循这一原则。

第三，新的炼铁流程中设有煤气改制环节，使预还原和终还原工序更加匹配和顺行。