用于生产液态铁的 Finex 工艺

  生产液态铁的FINEX工艺

FINEX 熔炼-还原工艺由奥地利普锐特冶金技术和韩国钢铁制造商浦项制铁开发。 FINEX 工艺是一种经过商业验证的替代炼铁工艺，除了高炉 (BF) 工艺路线外，还用于生产铁水 (HM)，包括高炉、烧结厂和焦炉。该工艺基于直接使用非炼焦煤。 FINEX工艺可以直接使用铁矿粉，没有任何结块。

在 FINEX 工艺中，细铁矿石被预热并在三级流化床反应器系统中还原成细 DRI（直接还原铁），还原气体由熔融气化炉产生。流化床反应器使 FINEX 工艺能够使用细矿石而不是块矿石或球团矿。

因此，该过程既不需要焦炭制造，也不需要矿石附聚。预还原矿石和煤的压块、煤粉喷射和熔融气化炉 (MG) 的受控装料导致该过程的燃料速率提高。在流化床反应器系统中产生的精细 DRI 被压实，然后以 HCl（热压铁）的形式装入熔融气化炉中以生产铁水 (HM)。带电的 HCl 被还原成金属铁并熔化。冶金还原和熔化所需的热量由高纯度氧气 (O2) 的煤气化提供。 FINEX工艺是一种环保工艺，使用低成本的细铁矿石和煤炭。

FINEX 工艺使用高纯度 O2，导致出口气体中只有少量的氮 (N2)。其净热值（CV）是高炉炉顶气的2倍以上，可部分回收还原功，也可用于供热或发电。

初步工作

1992年至1996年以15吨/天的台架规模装置进行了基础实验室规模研究。该装置的成果用于1999年150吨/天的中试装置的试运行。0.6的FINEX示范装置百万吨/年（Mtpa）在浦项制铁浦项工厂建成并于2003年6月开始生产。该工厂拥有三个流化床反应器。自 2004 年 2 月以来，该示范工厂以每年超过 70 万吨铁水的速度稳步生产。浦项制铁于 2007 年 4 月投产了第一座产能为 1.5 Mtpa 的商业 FINEX 工厂。基于该工厂的成功成果，浦项制铁和普锐特冶金技术决定在浦项开发产能为 2.0 Mtpa 的 FINEX 工厂。该厂已于2014年1月投产。

主要原料

煤炭和铁矿石是两种主要原料。对适合 FINEX 工艺的煤或煤混合物进行初步评估的主要标准是 (i) 将 C（碳）含量固定在最低 55%，(ii) 灰分含量最高为 25%，(iii) VM（挥发物）含量低于 35%，和 (iv) S（硫）含量低于 1%。除了这些一般特性外，煤还需要满足与热稳定性相关的某些要求，以便在熔融气化炉中形成稳定的炭床。用于 FINEX 工艺的潜在煤的热稳定性在实验室使用特殊测试程序进行检查。

由于熔炉-气化炉炭床的负载负荷较低并且使用了氧气，因此 FINEX 工艺可以在没有焦炭的情况下运行。在型煤质量变化和还原度波动的情况下，通常在停机前后或在 HM 温度下降的情况下使用一些焦粉（小于 30 毫米）以保持生产率并降低燃料比。当前操作提供恒定水平的焦粉以最小化上述影响。 FINEX 工艺中使用的焦粉质量不适合高炉操作，其强度约为高炉焦炭的 60%。为了实现零焦粉操作，一些操作优化是必不可少的，例如粘合剂优化和型煤预热技术的开发。 FINEX工艺用煤特性及其与高炉炼铁用煤特性的比较见图1。

图1煤炭特征或FINEX和BF流程

在铁矿石的情况下，通常 100% 的烧结矿粉矿被装入流化床反应器中。也可以使用 30% 到 50% 的颗粒饲料。铁矿石的类型和混合是根据总铁 (Fe) 含量、成分结构和晶粒尺寸等化学和物理性质决定的。与通过 BF 工艺生产 HM 的情况一样，铁矿石的 Fe 含量决定了生产率。混合比例要综合考虑矿石的质量和成本来决定。由于 FINEX 工艺比 BF 工艺更容易容忍高氧化铝（Al2O3）出渣，因此也可以使用高 Al2O3 含量的铁矿石。通常，流化床反应器对赤铁矿和针铁矿的进料结构没有限制。适合FINEX工艺的铁矿石柔韧性如图2所示。

图 2 FINEX 工艺中铁矿石的灵活性

过程

FINEX 工艺的特点是在直接装入铁矿石粉的基础上，以煤为还原剂和能源，生产高质量的 HM。 FINEX 工艺的主要特点是铁的生产是在两个独立的工艺步骤中进行的。在一系列三个流化床反应器中，细铁矿石被还原为 DRI，然后被压实 (HCI) 并通过热金属输送机输送到熔融气化炉。装入熔化气化炉的煤和型煤被气化，除还原气体外，还为熔化提供必要的能量。 FINEX工艺流程图如图3所示。

图3 FINEX流程流程图

铁水在 FINEX 工艺中分两步生产。在第一步中，铁矿石粉被预热并在流化床反应器中分三个阶段还原成细 DRI。第一反应器（R3）主要用作预热铁矿石粉的反应器。铁矿石细粉与石灰石和/或白云石等熔剂一起装入流化床反应器系列。装入的矿粉向下通过三个反应器，在其中矿石被加热并通过从煤在熔融气化炉中气化获得的还原气体还原为 DRI。这种还原性气体与矿石的运动方向相反。

根据工艺矿石路线，气力输送系统将矿石细粉输送到流化床反应塔。然后将细矿石装入流化床反应器系列。熔融气化炉中产生的还原气体与矿石方向（从 R1 到 R3）逆流流过每个流化床反应器。三个流化床反应器中还原气体的典型温度和组成见表1。

细铁矿石被气流流化，并且矿石在每个反应器步骤中被越来越多地还原。在从最终流化床反应器中排出还原铁后，将其压实以生产 HCl。随后，HCI 通过热输送系统输送到熔融气化炉顶部，在此与煤一起直接装入熔融气化炉。然后发生 HCI 的最终还原和熔化。

根据工艺煤路线，非焦煤和型煤通过锁斗系统直接装入熔化气化炉。在煤落到炭床上之后，就会发生脱气。释放的对环境有害的碳氢化合物会立即分解为 CO（一氧化碳）和 H2（氢气）。这是由于熔融气化炉圆顶内的普遍温度超过 1,000 摄氏度。注入熔化气化炉下部的 O2 使煤气化，产生用于熔化工作的热量，并产生主要由 CO 和 H2 组成的高价值还原气体。这种从熔融气化炉圆顶流出的气体在进入流化床反应器之前首先在热气旋风分离器中进行清洁。在 DRI 熔化后，出钢过程与标准 BF 实践中完全相同的方式进行。 FINEX工艺的HM质量与BF生产的HM相似。

FINEX 出口气体是 FINEX 工艺的宝贵副产品。从流化床反应器顶部离开的清洁出口气体可用于多种应用。其中包括直接还原铁的生产、发电和化学工业合成气的生产。 FINEX工艺产生的不同气体的典型组成见表2。

  FINEX工艺的气流如图4所示。

图4 FINEX工艺中的气体流动

FINEX 工艺中材料和公用设施的典型具体消耗值是：(i) 干燃料约 720 kg/tHM，(ii) 铁矿石约 1,600 kg/tHM，(iii) 添加剂（石灰石和白云石）约 285 kg/tHM tHM，(iv) O2 约 460 N cum，(v) N2 约 270 N cum，(vi) 功率约 190 kWh/tHM，(vii) 耐火材料约 1.5 kg/tHM。

由 FINEX 工艺生产的 HM 的特性包括 (i) C 约 4.5%，(ii) 硅 (Si) 约 0.7%，(iii) 锰 (Mn) 约 0.07%，(iv) 磷 (P) 约0.07 %, (v) 硫 (S) 约 0.04 %, (vi) 温度约 1,500 摄氏度。

FINEX 工艺的出口气体特征包括 (i) CO 约 34%，(ii) CO2 约 43%，(iii) H2 约 13%，(iv) H2O 约 3%，(v) CH4 小于1 %，(vi) N2/Ar 约 6%，(vii) H2S 小于 100 ppm（百万分之几），(viii) 粉尘 5 mg（毫克）/N cum，(ix) 压力 0.1 kg/sq cm， (x) 大约 40 摄氏度的温度，和 (xi) CV 在 1,300 kcal/N cum 到 1,500 kcal/N cum 的范围内。每吨 HM 可产生约 1.9 吉卡的出口气体。

过程的环境方面

FINEX 工艺有可能）回收高纯度 CO2 用于 CO2 捕获和储存 (CCS)。除了储存，回收的 CO2 还可用于提高石油采收率以及其他经济用途。这是可能的，因为在熔化气化炉中使用高纯度 O2 来气化煤，因此出口气体仅含有少量 N2。这允许从循环气体中去除高浓度的CO2，并在进一步纯化后产生CO2百分比高于95%的高纯度CO2。与 BF 炼铁工艺的平均 CO2 排放率相比，无 CCS 和有 CCS 的 FINEX 工艺的 CO2 排放率分别为 99 % 和 55 %。

FINEX 工艺是一种以煤为基础的工艺，用于将铁矿石还原为铁，然后将其熔化成 HM。一定量的对环境有害的物质，基于原材料的搭配是不可避免的。由于FINEX工艺以惰性状态在炉渣中捕获大部分污染物，释放的碳氢化合物在熔融气化炉的圆顶中被破坏，有害物质的排放量非常低。粉尘、SOx 和 NOx 的每吨 HM 排放值分别约为 58 克/吨（g/t）、32 克/吨和 94 克/吨左右。

FINEX工艺的优势

FINEX 工艺的各种优点包括 (i) 使用低品位细铁矿石作为氧化物原料，(ii) 使用非焦煤作为还原剂，(iii) 还原和熔化过程的独立控制，(iv ) 由于资本和运营成本显着降低而带来的经济优势，(v) 环境效益，(vi) 原材料选择和运营方面的灵活性，例如可以利用较低品位的铁矿石（例如，Al2O3 含量较高的铁矿石），（ vii) 生产与高炉 HM 质量相似的 HM，(viii) 具有较高 CV 的出口气体，可用于不同目的（例如发电、直接还原铁生产和化学产品生产），（ix ) 经过商业验证的替代炼铁工艺，以及 (x) 在综合钢铁厂的棕色田间应用与高炉产生了协同作用。