山東省冶金設計院股份有限公司
1 引言
世界鋼鐵協會統計的38個國家和地區2018年高爐生鐵產量為12.39億噸，同比增長2.2%，世界鋼鐵協會統計的這38個國家和地區2017年高爐生鐵產量占世界高爐生鐵產量的99%，我國2018年生鐵產量為7.7億噸，比上年增加3%，占世界鋼鐵總量約：61.6%。2018年全球直接還原鐵(DRI)產量總計為9980萬噸，同比增長14.5%。
全球熔融還原煉鐵裝置的產能約1200萬噸，而我國2018年熔融還原實際產能約105萬噸，約占國內煉鐵總產能的0.14%。
上述生產數據表明，高爐煉鐵仍為煉鐵生產的主要工藝。但是因為傳統高爐煉鐵流程正面臨環保、能耗以及原燃料資源制約等前所未有的壓力，為實現鋼鐵工業可持續發展，減輕高爐工藝對焦煤資源以及長流程帶來的環保和排放壓力，國內在近幾年在非高爐工藝的研究開發，尤其熔融還原工藝的引進、消化吸收、創新方面做了大量的工作，截止目前已有兩座熔融還原煉鐵工廠在運行。本文著重對寶鋼八一鋼鐵歐冶爐工藝、墨龍HIsmelt熔融還原工藝(以下簡稱ML-HIsmelt)的技術流程、工藝創新以及運行現狀進行了闡述，并就二者的優越性與高爐工藝從多方面進行了比較，并對未來發展趨勢進行了簡要說明。
2 熔融還原煉鐵工藝概況
熔融還原煉鐵工藝以非焦煤為能源，在高溫熔態下進行鐵氧化物還原，渣鐵完全分離后得到鐵水。其目的是以煤代焦和直接用粉礦煉鐵，使煉鐵流程簡化，污染減少，已經受到許多國家的重視。現已開發出的熔融還原煉鐵工藝共有30 余種，但到目前為止，只有3 種工藝有較大發展且已經實現商業化，分別為COREX、HIsmelt 和FINEX 工藝。全球熔融還原煉鐵工廠及生產狀況見表1.
表1 全球熔融還原煉鐵工廠及生產狀況
3 COREX熔融還原工藝
3.1 COREX工藝流程
COREX 的工藝可以看做是利用了高爐爐缸和氣基直接還原豎爐工藝的聯合，其實質是把高爐截為兩截，使用塊煤和球團礦(塊礦)煉鐵。具體流程程描述如下：熔融氣化爐產生的1050℃高溫還原氣經調溫到850℃后，經初除塵后由環管送入預還原豎爐，從下向上逆流穿過下降的礦石層。鐵氧化物、熔劑和焦炭從上面加入向下運動，在下降過程中鐵礦石還原成金屬化率大于70%的海綿鐵，然后通過螺旋排料機送入熔融氣化爐。熔融氣化爐的任務是熔化海綿鐵并獲得合格的鐵水，同時制出滿足上部預還原豎爐要求的還原氣。從熔融氣化爐頂部加入的煤與1050℃的高溫煤氣相遇并立即被干燥、裂解和干餾焦化，在爐內形成半焦床層。在風口區和拱頂空間，鼓入的氧氣與碳燃燒，得到的1050℃的高溫還原煤氣(CO+H2>90%)離開熔融氣化爐。該高溫還原氣兌入凈化后的冷煤氣，調溫到800～850℃經過熱旋風除塵器除塵后，作為還原氣輸入上部預還原豎爐的煤氣圍管。
寶鋼集團2007年引進了兩套大型COREX-3000煉鐵生產裝置，在上海的羅涇建成單爐年產鐵水百萬噸級熔融還原煉鐵廠，第一套于2007年11月投產，第二套于2010年投產。對COREX-3000技術做了大量消化吸收、關鍵設備國產化等工作，改進了原設計缺陷，但是基于以下幾方面原因致使企業持續虧損：1)對影響產能的關鍵技術未能取得合理的解決措施，致使產能僅達到設計產能的74%;2)不能與高爐流程互補;3)運輸成本高，主要體現在碼頭物流成本高;4)原燃料價格，包括塊煤、球團礦的價格高。為此，寶鋼集團將其搬遷到原燃料(球團礦、原料煤)較有優勢的新疆八一鋼鐵公司，在搬遷建設過程中充分消化吸取羅涇COREX工程設計、設備制造、施工、生產實踐的經驗及教訓，并結合高爐煉鐵原理和成熟技術進行大量優化改造，于2015年7月19日建成投產，成功實現了工業化生產，并命名為歐冶爐[2]。
3.2 歐冶爐(COREX改進)
相比COREX，歐冶爐主要在以下幾方面進行了優化改進
3.2.1 豎爐爐頂煤氣系統的改進：原COREX爐頂煤氣為濕法除塵系統，歐冶爐預還原豎爐爐頂煤氣改為干式布袋除塵器，其除塵效率高、煤氣含塵量降低10~5 mg/Nm3，運行能耗和費用低，投資少、占地小;新增了與干法除塵系統配套的全干式TRT發電裝置，由此使得煤氣溫度、壓力均得到提高，使TRT發電量提高55kw/thm。
3.2.2 豎爐底部中心煤氣管： 增設豎爐底部中心煤氣管，引入煤氣量占還原煤氣量的20%，可有效分布中心氣流。
3.2.3 增加槽下篩分設備：槽下每個料倉增加獨立篩分、稱量設備，在原料入爐前最大程度減少粉末，對歐冶爐豎爐粘接及氣化爐煤氣上升管堵塞都將起到相應的緩解作用。
3.2.4 歐冶爐頂煤氣反吹入爐：回噴10000Nm3/h歐冶爐頂煤氣可得到高品質過剩煤氣23800萬Nm3/h。經實際生產測試，爐況順行的到改善，鐵水降硅效果明顯。
3.2.5 汽化爐優化：設計拱頂噴煤比達到350kg/thm，可以使提高豎爐金屬化率提高15%～25%;經實踐檢驗，改進后的汽化系統穩定，已達到調整煤氣質量和提高煤氣量的目標。
3.3 歐冶爐(COREX改進)生產實踐
歐冶爐2015年連續生產68天，生產鐵水15.02萬噸，在此期間，歐冶爐對八鋼周邊的煤資源進行了充分的試驗，創造性地開發了氣化爐拱頂噴煤造氣的工藝，重新定義了豎爐還原、氣化爐造氣和熔煉功能，大幅提升了各功能區的效率和穩定性，并強化了歐冶爐煤化工功能。
歐冶爐2017年連續生產154天，生產鐵水42.07萬噸，通過完善操作技術，投入新開發的煤制氣系統，投入CGD系統，形成了自主知識產權的工藝技術標準，建立了具有與高爐鐵水成本相當的原燃料結構體系，充分開發利用了新疆優質的動力煤資源。 2018年5月26日，歐冶爐成功點火復產，隨著新布料器的投入，粉塵線的優化及均排壓系統的改造效果逐步體現，開爐5天，達到2017年生產的最優指標。至2018年8月，歐冶爐實現月鐵水產量10.5萬噸以上，平均燃料比830kg/t，焦比200 kg/t，燒結礦配比55%，鐵水平均含硅0.8%。基本實現歐冶爐設計能力和指標。
4 HISmelt熔融還原煉鐵技術
