電熔融還原法簡介

電熔融還原法(ELRED process)是一種熔融還原煉鐵工藝。原名ELRED法，由瑞典Stora Kop-parperg公司和Asea公司開發(fā)，后與德國Lurgi公司合作 。

該工藝設(shè)備由流態(tài)化預(yù)還原爐和直流電爐組成。1971年開始基礎(chǔ)研究，1976年建設(shè)了500kg/h級(jí)預(yù)還原試驗(yàn)裝置，1977年建設(shè)了25t/爐的終還原電爐 。

工藝流程，如圖1所示，其特征是在流化狀態(tài)下，用煤粉對(duì)鐵礦粉進(jìn)行預(yù)還原，預(yù)還原鐵料從直流電爐的中空電極投入，用電極下部的等離子體進(jìn)行快速熔融還原。電爐排出的煤氣發(fā)電，作為電力來源 。

預(yù)還原裝置為加壓循環(huán)流化床，壓力達(dá)0.5MPa，工作溫度為950-1000℃，流化氣速度達(dá)2m/s。循環(huán)煤氣從流化床底部送入，以促成底部流態(tài)化。煤粉和頂熱空氣從流化床中部送入，精礦粉從頂部加入。煤粉和預(yù)熱空氣在不完全燃燒下產(chǎn)生還原氣和細(xì)焦粒，對(duì)流化狀態(tài)的礦粉進(jìn)行還原。礦粉隨還原氣一起離開流化床迸入旋流器，將礦粉與還原氣分離。礦粉返回流化床底部，煤氣經(jīng)除塵、脫除CO₂和H₂O后，30%-50%返回系統(tǒng)重新利用，其余煤氣用于發(fā)電。預(yù)還原系統(tǒng)還包括連續(xù)裝、卸料和精礦預(yù)熱設(shè)備。通過調(diào)整爐料在流化床內(nèi)的停留時(shí)間和溫度可以控制預(yù)還原礦粉的全屬化率，一般控制在60%-70%。流化床內(nèi)因氣流速度高和有過剩碳存在，可以防止粘結(jié)與失流 。

終還原采用等離子直流電爐。預(yù)還原料、焦粒、熔劑從位于電爐中心的中空碳素電極孔落入電弧爐。在電極下等離子高溫區(qū)迅速熔化、還原、滲碳生成鐵水，脈石、煤灰和熔劑形成含F(xiàn)eO 12%的爐渣。爐渣從出渣口排出，鐵水間斷由出鐵口排出，每次出鐵時(shí)留30%鐵水作下爐的母液。等離子電弧爐熔池可分為電弧高溫區(qū)和非電弧區(qū)兩部分。電孤高溫區(qū)溫度可達(dá)1900℃，面積小，熔化還原效率高，爐料在電弧區(qū)全部熔化，大部分FeO被還原；非電弧區(qū)溫度低(1450℃左右)，不利于硅、錳還原和脫硫 。

該法生產(chǎn)的鐵水含碳3%-4%，硅、錳0.05%，硫0.3%，鐵水溫度1450℃，爐渣含F(xiàn)eO 12%。由于硅、錳含量很低，鐵水煉鋼時(shí)渣量少，降低耐火材料消耗。縮短熔煉時(shí)間。缺點(diǎn)是鐵損失大，鐵水含硫高，必須進(jìn)行爐外脫硫。該法生產(chǎn)1t鐵水需煤粉680kg，電爐耗電660kW/h，脫硫耗電30kW/h，其他設(shè)備用電106kW/h，總耗電量796kW/h。1t鐵水總能耗為0.88MJ，相當(dāng)于大型高爐流程的能耗，但不用焦炭，成本比高爐鐵水低20%，且過程污染小，工藝流程簡單，投資費(fèi)用低 。

預(yù)還原階段產(chǎn)生的高壓煤氣發(fā)熱值為3500-6000kJ/m，終還原電爐生產(chǎn)的煤氣含CO達(dá)90%，除少量循環(huán)外，上要用于發(fā)電。發(fā)電量除滿足工藝自身用電外，尚有300-400kW·h/t，富余可外供。但起動(dòng)階段電力供應(yīng)成問題，且特別昂貴。未見工業(yè)生產(chǎn)裝置投產(chǎn) 。2100433B

熔融還原法的分類如下：

(1) 按工藝階段劃分，可分為一步法和兩步法。一步法是在一個(gè)冶金反應(yīng)中完成礦石 還原熔煉的全過程。該工藝流程短，設(shè)備簡單，但在應(yīng)用中卻存在著能耗高及FeO渣嚴(yán)重 侵蝕爐襯的難題，至今仍未能解決。

兩步法將熔融還原過程分為固相預(yù)還原及熔態(tài)終還原，并分別在兩個(gè)反應(yīng)中完成，改 善了熔融還原過程的能量利用，降低了渣中FeO濃度，使熔融還原法取得了突破性的進(jìn)展。

(2)按使用能源劃分，可分為氧煤法和電煤法。氧煤法靠氧煤在高溫熔池或風(fēng)口區(qū)燃 燒，提供過程的熱量，用煤作為還原劑。開發(fā)的多數(shù)工藝為氧煤法。

電煤法用電提供熔融還原過程所需的熱量，煤做還原劑，電熱轉(zhuǎn)換方式有電弧放熱和 等離子技術(shù)，此法只適用于電力充足、價(jià)格低廉的地區(qū)。

(3) 按預(yù)還原裝置類型，可分為流化床法、豎爐法、回轉(zhuǎn)窯法和閃速爐法等。

(4) 按終還原裝置類型，可分為豎爐法、電流法和旋轉(zhuǎn)爐法等。

由奧鋼聯(lián)（VAI）于70年代開發(fā)的COREXCOREX是當(dāng)前最成熟的熔融還原技術(shù)，也是唯一的一個(gè)工業(yè)化熔融還原流程。已在韓國浦項(xiàng)、印度金達(dá)爾（兩座）和南非薩爾達(dá)納和伊斯科（各一座），共有5座投產(chǎn)，并穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)出合格的鐵水，已達(dá)到或超過設(shè)計(jì)產(chǎn)量（每小時(shí)產(chǎn)鐵80-100t）。2008年，設(shè)計(jì)能力為150萬t生鐵的COREX 裝置C3000在上海寶鋼建成，并順利出鐵。

熔融還原的基本流程是將塊礦和球團(tuán)礦及熔劑加入到還原豎爐中，被逆向流動(dòng)的還原氣體還原為金屬率約93%的直接還原鐵。通過豎爐底部的螺旋給料機(jī)送入熔融氣化爐。非煉焦煤（塊狀）和一定量的焦炭直接加入熔融氣化爐。經(jīng)風(fēng)口送入純氧，與煤和焦炭燃燒產(chǎn)生熱量和還原氣體，最終完成含鐵爐料的還原、熔化和造渣過程。鐵水和液體爐渣聚集在爐缸，定期排放。熔融氣化爐產(chǎn)生的高溫煤氣含有約70%的CO和25%的H2，被送入還原豎爐作為還原劑。還原豎爐排出的煤氣仍有很高的發(fā)熱值，可發(fā)電或作其他用途。南非薩爾達(dá)納廠將COREX爐與生產(chǎn)直接還原鐵的MIDREX豎爐串聯(lián)，形成COREX/DR流程。在2004年，用COREX產(chǎn)生的煤氣，作為直接還原爐的還原劑。

采用COREX煉鐵工藝生產(chǎn)鐵水，在成本、操作和環(huán)境保護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)規(guī)模、爐齡等方面的不足也須引起注意，并采取相應(yīng)的措施。

COREX煉鐵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

環(huán)保效果好。根據(jù)有關(guān)資料顯示，COREX和高爐兩種工藝的SO2/NOX、灰塵排放量以及廢水中酚類、硫化物、氨的排放數(shù)量，前者比后者要低得多。

（1）用料范圍廣。與高爐工藝相比，COREX工藝可以使用較高比例的非煉焦煤，焦炭用量少（120～170kg/t），質(zhì)量要求也相對(duì)較低，并可使用15%左右的粉礦。

（2）勞動(dòng)生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低。在相同的生產(chǎn)能力下，與高爐相比，COREX更為復(fù)雜和龐大，如果不包括氧氣站，其投資要多30%，如果包括氧氣站，投資則要多60%。但是COREX工藝不建設(shè)焦?fàn)t，與高爐加焦?fàn)t流程相比，COREX投資總額約低10%。

（3）煤氣可以多級(jí)利用。COREX煉鐵工藝的副產(chǎn)品是含有大量CO和H2，含雜質(zhì)量很低，這種煤氣純凈，熱值高，可以用來生產(chǎn)DRI，生產(chǎn)DRI的尾氣又可以用于發(fā)電或給鋼廠加熱爐或其他設(shè)備進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)煤氣的多級(jí)利用。

（4）生產(chǎn)調(diào)節(jié)靈活。COREX生產(chǎn)工藝可在幾小時(shí)內(nèi)調(diào)整鐵水和爐渣成分，設(shè)備停工和重新開工容易，生產(chǎn)調(diào)節(jié)靈活。

COREX工藝存在問題

COREX工藝在本質(zhì)上是將高爐冶煉分為還原和熔融兩段，放在兩個(gè)容器中進(jìn)行。因此，也存在高爐工藝本身具有的一些特征和不足。

（1）還原容器仍是豎爐，因?yàn)樨Q爐工藝要求良好的透氣性，因此，還需要塊狀原料和球團(tuán)（南非工廠使用60%-70%塊礦和30%-40%球團(tuán)礦）。并且對(duì)塊礦和球團(tuán)的強(qiáng)度、粒度、含粉率有一定要求。

（2）COREX雖然可以使用非煉焦煤，但并非任何非煉焦煤都可使用。因?yàn)槿廴跉饣癄t產(chǎn)生的氣體要作為還原豎爐的還原氣體，要求煤的揮發(fā)分應(yīng)在27%~30%。當(dāng)然可以通過幾個(gè)煤種混合達(dá)到。但也增加了配煤的麻煩。

（3）COREX的熔融氣化爐床層也需要有一定的透氣性，因此需要入爐煤有一定塊度（一般20～25mm），并且煤熱解后的半焦有維持床層透氣性的任務(wù)，從而要求具備一定強(qiáng)度，并且其固定炭和揮發(fā)分應(yīng)穩(wěn)定。與焦炭相比，半焦的CSR和CRI較差，因此，實(shí)際生產(chǎn)中往往需要一定比例的焦炭以彌補(bǔ)煤的不足。

熔融還原以加速還原過程、降低能耗、簡化流程和工藝設(shè)備為原則。其突出優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)過程中少量使用或不用焦炭，已解決全球性冶金焦煤的短缺問題和煉焦業(yè)對(duì)環(huán)境的污染問題。根據(jù)其工藝模式將熔融還原劃分為四大類：三段式、二段式、一段式和電熱法。 三段式熔融還原流程可分為兩大部分：還原部分和熔煉造氣部分。

還原部分為還原段。熔煉造氣在同一個(gè)設(shè)備中包含了熔煉造氣和煤氣轉(zhuǎn)化。其構(gòu)造特點(diǎn)是熔池上方存在一個(gè)含碳料層，在這層中可以利用煤氣過剩物理熱，完成由CO2和H2O向CO和H2的轉(zhuǎn)化過程。二段式也是由還原部分和熔煉造氣，部分組成，因此又與三段式熔融還原發(fā)統(tǒng)稱為兩步法。二段式與三段式的主要區(qū)別是熔煉造氣爐中熔池上方?jīng)]有含碳料層。 一段式流程只有熔煉段，沒有還原段。現(xiàn)代化的一段式流程和二段式流程均采用鐵浴爐熔煉設(shè)備因此二者又統(tǒng)稱鐵浴法。 三段式由煤基流程和焦基流程組成。二段式和一段式則由煤基流程組成。以上三種類型有時(shí)又被稱為氧煤流程，電熱法則被稱為電煤流程。