熔融还原工艺优化设计与实践案例

熔融还原工艺优化设计与实践案例一、引言钢铁冶金行业正面临“双碳”目标与资源约束的双重挑战，传统高炉-转炉流程因依赖焦炭、烧结工序，存在能耗高、污染重、原料适应性弱等痛点。熔融还原工艺（如COREX、HISMELT、FINEX等）以“无焦、短流程、低排放”为核心优势，直接使用粉矿与非焦煤生产铁水，成为绿色冶金的关键技术方向。然而，现有熔融还原装置普遍存在产能瓶颈、煤耗偏高、渣铁分离不完全等问题，需通过系统性优化设计突破技术壁垒。本文结合理论分析与工业实践，剖析熔融还原工艺优化的核心维度，并以某钢厂FINEX装置改造案例为切入点，总结可推广的技术路径。二、熔融还原工艺原理与技术痛点（一）工艺原理熔融还原以“预还原+终还原”为核心流程：预还原段：铁矿石（粉矿为主）在竖炉/流化床中被煤气还原为金属化率（η_M）60%~90%的海绵铁，煤气来自终还原炉的副产煤气；终还原段：海绵铁与非焦煤、熔剂进入熔融气化炉，在高温（1450~1550℃）、富氧气氛下完成终还原、渣铁分离，产生的煤气返回预还原段，实现能量循环。典型工艺如COREX（竖炉+熔融气化炉）、FINEX（流化床预还原+熔融气化炉）、HISMELT（铁浴炉终还原），均省略烧结、焦化环节，流程缩短30%以上，吨铁CO₂排放降低15%~30%。（二）技术痛点1.原料适应性局限：粉矿粒度细（<10mm）易导致预还原段透气性差，非焦煤反应性不足（如褐煤挥发分高但灰分大）影响还原效率；2.反应器耦合失衡：预还原煤气温度（800~900℃）与终还原需求不匹配，熔融气化炉渣铁分离效率低（渣中带铁≥2%）；3.热效率待提升：煤气显热（约占总能量30%）、渣铁显热（约20%）未充分回收，吨铁煤耗比高炉高10%~20%；4.冶金性能短板：炉渣粘度高（>0.2Pa·s）导致脱硫脱磷能力弱，铁水质量（[S]≥0.03%）难以满足高端钢种需求。三、优化设计的核心维度（一）原料适应性优化1.粉矿预处理：开发低温压块技术（温度<200℃、压力>150MPa），将-200目粉矿压块（强度≥15MPa），提高预还原段透气性；配入1%~2%膨润土作粘结剂，避免压块还原后粉化。2.煤种协同匹配：建立“反应性-灰分-挥发分”三维评价模型，筛选高反应性烟煤（挥发分>30%），配入10%生物质炭（固定碳≥85%），提升煤的气化效率（CO产率提高5%~8%）。3.配矿配煤模型：基于线性规划算法，以“金属收得率最大化、煤耗最小化”为目标，优化粉矿（TFe≥58%）与煤（灰分<15%）的配比，吨铁原料成本降低5%~10%。（二）反应器结构优化1.预还原段强化：竖炉布料器改为双环旋转布料（外环大粒度、内环小粒度），气流分布均匀性提升20%；流化床增设导流挡板，气固接触面积增加30%，预还原时间缩短15min。2.终还原炉改造：熔融气化炉风口由水平改为向下15°倾斜，增强渣铁搅拌，渣中带铁由3%降至1.5%；炉型优化为“圆柱+倒锥”结构，死料柱体积减少10%，反应空间利用率提升。（三）热工制度优化1.温度-气氛协同控制：终还原炉富氧率由30%提至35%，燃烧温度提高100~150℃，煤耗降低12%；预还原煤气循环量增加20%，利用显热将粉矿预热至300℃，还原时间缩短20%。2.余热梯级回收：煤气显热通过低温省煤器回收，预热助燃空气至250℃，吨铁余热发电量增加15kWh；渣铁显热通过有机朗肯循环（ORC）回收，吨渣发电量达15kWh，总热效率提升8%。（四）渣系与冶金性能优化1.渣型设计：采用CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO四元渣系，控制CaO/SiO₂=1.2~1.3、MgO=8%~10%，炉渣粘度降至0.15Pa·s以下，脱硫率由85%提至92%。2.FeO控制：通过调整还原电位（CO/CO₂=3~4），将渣中FeO由3%降至1.5%，金属收得率提高3个百分点。四、实践案例：某钢厂FINEX装置优化改造（一）企业背景与原工艺问题某钢厂FINEX装置设计产能150万t/a，但投产初期存在：原料瓶颈：-200目粉矿占比40%，竖炉透气性差，产能仅达设计的80%；能耗偏高：吨铁煤耗580kg（设计值500kg），煤气利用率65%；冶金缺陷：渣中带铁2.8%，铁水[S]=0.045%，无法满足汽车板用铁水要求。（二）优化措施与实施过程1.原料预处理：建设粉矿压块线，采用“低温压块+膨润土粘结”工艺，压块强度18MPa，竖炉透气性指数由1200m³/(m²·h)提至1800m³/(m²·h)；配煤中加入10%生物质炭（稻壳基），煤的反应性指数（CRI）由55%提至68%。2.反应器改造：竖炉布料器改为双环旋转式，气流偏析率由15%降至5%；熔融气化炉风口改为15°下倾，渣铁搅拌功率提升30%，死料柱体积减少8%。3.热工与渣系优化：富氧率提至35%，吨铁煤耗降至510kg；渣系调整为CaO/SiO₂=1.25、MgO=9%，炉渣粘度0.12Pa·s，脱硫率93%，渣中FeO=1.2%。（三）优化效果产能与能耗：产能提升至160万t/a（超设计10%），吨铁煤耗降低12%，煤气利用率达82%；冶金性能：铁水[S]≤0.025%，渣中带铁≤1.2%，金属收得率提高3.2个百分点；环保效益：吨铁CO₂排放降低18%，SO₂排放减少22%，余热发电量增加20kWh/t。五、优化启示与未来方向（一）经验启示1.多维度协同：原料预处理、反应器改造、热工调整、渣系优化需联动实施，单一维度优化易陷入“瓶颈转移”；2.数字化赋能：采用CFD模拟优化反应器流场，FactSage软件设计渣系，可缩短试验周期30%~50%；3.绿色化导向：生物质炭、氢能（未来替代部分煤）等低碳原料的引入，是工艺可持续发展的核心。（二）未来方向1.智能化升级：构建“数字孪生”系统，实时优化原料配比、热工参数，实现工艺自寻优；2.低碳化突破：耦合CCUS（碳捕集）技术，或探索“氢基熔融还原”，吨铁CO₂排放再降30%~50%；3.多元化拓展：利用熔融还原高温环境，协同处理含锌、铅的固废，实现“以废冶铁”的资源循环。六、结论熔融还原工艺是钢铁行业突破“高碳锁定”的关键技术，其优化设计需围绕原料适应性、反应