HIsarna炼铁工艺：超低碳钢铁生产的技术突围

HIsarna炼铁工艺

HIsarna是直接利用铁矿粉与煤熔融还原生产液态铁水的工艺，代表炼铁效率跃升新路径，旨在大幅削减炼铁碳排放。源自ULCOS(超低碳钢铁制造)欧洲钢企联盟倡议，融合力拓HIsmelt技术与塔塔钢铁Ijmuiden开发的Isarna技术。工艺免去高炉所需原料预处理，包含Isarna旋风转炉炉(CCF)预还原与HIsmelt熔融还原炉(SRV)熔融冶炼两阶段。名称合成「HI」(HIsmelt)与「sarna」(Isarna,凯尔特语铁)。双碳双降：碳排放与成本同步下降。HIsarna在顶部窄旋风炉+底部宽转炉的特种反应器中进行。

综合工艺较现役高炉平均水平：能效提升~20%，单吨铁水温室气体排放降~20%，核心因免去烧结/炼焦。产出铁水可经常规转炉炼钢。

HIsarna反应器顶部喷吹铁矿，高温旋风炉熔化后滴落底部，喷吹煤粉与熔融矿反应生成液态铁水——优质钢基材。反应器排气以高浓度CO₂为主。

双逆流两阶段核心架构

HIsarna总体概念为铁矿与工艺气体两级逆流接触，两阶段均在熔点上运行。第一阶段CCF产出熔融部分还原矿流入下部SRV。两阶段物理高度集成，单一熔融反应器内完成(图1)。

图1 HIsarna工艺反应器

旋风技术还原铁矿最早1960s Koninklijke Hoogovens尝试后搁置。1986年再试因经济危机暂停至90s早期。90s中焦炭短缺重启，CCF中试15-20t/h矿量。1999年因高炉喷吹煤粉(PCI)成功再停。HIsmelt源于力拓1980s德国马克许特2t/h中试，90s西澳Kwinana 8t/h中试。2001年力拓联合Nucor/三菱/首钢建设Kwinana 80万吨/年商业厂，2003-2005建设，2005-2008运行产出40万吨铁水。虽因配套设备故障致可用率低、耐火损伤，但产能稳步提升，2008.Q4达1800t/天、90%可用率，工艺获验证。

2004欧盟压钢企降碳→ULCOS联盟成立。2005-2007旋风技术入选四大高潜技术。理论攻克旋风炉后旋风段难题，ULCOS引入力拓HIsmelt技术达成双赢组合→ULCOS支持欧洲中试项目→HIsarna诞生。

CCF中：细矿预还原熔化于熔融旋风炉。铁矿粉与氧气喷入CCF单元，热冶炼煤气存在下燃烧。离心气流分离矿粉与气体。燃烧热熔化部分还原矿。还原反应：Fe₂O₃(s)+2CO(g)=4FeO(l)+2CO₂(g)。部分还原熔融矿重力流入下部SRV。旋风产物为Fe₃O₄/FeO熔融混合物，温度~1450℃，预还原度~20%。

SRV顶部：后燃烧热(CO→CO₂)回收对工艺至关重要。后燃烧热经渣飞溅循环自由板面回收，飞溅层亦保护冷却板免后燃烧火焰直烧。

煤粉高速喷吹入浴(载气通常N₂)。核心目标：溶解碳供冶炼。喷吹条件关键。金属浴温1400-1450℃，Si近零，Mn极低，P/Ti以氧化物分配入渣相。

熔融矿直接溶入渣相。煤喷射羽流驱动金属-渣剧烈混合，创造巨大金属-渣界面面积利于冶炼。金属中溶解碳与矿石氧反应生成大量CO，强吸热反应发生于炉下部：FeO(l)+C(s)=Fe(l)+CO(g)。需热源维持下部热平衡。渣中铁氧化物在渣/金属界面还原。喷吹煤供碳并创造混合，渣FeO维持低水平典型5-6%。

冶炼CO、载气N₂、煤脱挥发分产物形成向上高温燃料气流。气流上升驱动大量飞溅，金属渣液滴循环通过上部空间。富氧经枪喷入上部燃烧放热。热量由液滴从上部传至下部。液滴通过燃烧区数量极大，单程平均升温<10℃，实现不破坏氧势梯度的向下传热(上部相对氧化、下部强还原)。

SRV部份燃烧煤气(~1450-1500℃,后燃烧度~50%)为CCF提供热燃料气体。后燃烧率%PC=100(%CO₂+%H₂O)/(%CO+%CO₂+%H₂+%H₂O)。目标旋风顶部近100%后燃烧→炉顶气体为高浓度无氮CO₂，极适配CCS(CO₂捕集封存)。

反应产物分离为两熔融液层：上渣下铁水。双层可单独出铁，铁水送炼钢后序。

HIsarna烟气无氮(氧基工艺)。充分利用后无余热值。烟气处理见图3：含CCS与不含CCS两路径。

图3 含/不含CCS烟气处理流程

中试工厂进展

塔塔钢铁Ijmuiden建成8t铁水/小时、6万吨/年中试厂，2011年起多轮次运行。塔塔钢铁与力拓联合开发，后续ArcelorMittal、蒂森克虏伯、福斯、SSAB、LKAB、Paul Wurth加入合作，欧盟大额资助。流程图见图4。

图4 HIsarna中试厂流程图

五轮次运行。首轮启动失败，后四轮成功。各轮次前烧嘴预热反应器至~1200℃。快速启动需从高炉运50t铁水罐首充。按实测温度成分算最大时隙，必须内启动避免「冻结炉底」。

2011.5.20首次成功出铁，喷吹率达设计60%。运行数据显示工艺符合预期，但需更多工时验证。工时低于预期，但「理论转化为实践、免预处理产铁水」目标达成。

二期2012.10.17-12.4，目标持久稳产达成，80%设计产能持续8-12h，末次冲刺达满负荷8t/h。

三期2013.5.28-6.28，目标持久稳产+多原料测试达成，首次用HIsarna铁水炼钢。

四期2014.5.13-6.29，末期达成数日持久稳产+多原料测试。

五期2017.10起六个月长周期测试，证明长周期产铁水可行。备战大修：全新烟气管道增高10m+(最高点37m)；配套煤粉制备/矿石石灰干燥筛分/封闭皮带输送/原料仓翻倍/气体分析室/电子监控重编。估算投入~2500万欧元。

六月测试废钢比高达53%，聚焦理想原料配比、钢渣循环、CO₂喷吹输料、CCS捕集封存(潜降排80%)。末期废钢+生物质+CCS实现>50%碳减排。

中试成功后，下阶段拟建更大中试厂，投资~3亿欧元，规模2-3倍现有Ijmuiden中试厂，需数年多轮测试。2018.11宣布新大中试厂落户印度贾姆谢德普尔，规划40万吨/年铁水产能，后续放大至100万吨/年级。现有Ijmuiden中试厂将继续运行。图5展示焚烧器图与CCF-SRV反应器放大尺寸。

图5 焚烧器图与CCF-SRV反应器放大尺寸

工业化后，HIsarna声称较常规炼钢：CO₂降≥20%、能耗降≥20%。无氮高CO₂浓度直流烟气极适配CCS，叠加CCS可达80%碳减排。除能耗碳降本外，90%磷入渣可用廉价高磷矿(常规高炉拒收)。粉尘/NOx/SOx/CO排放降60-80%。

HIsarna工艺关键特征与效益

CCF+SRV双赢组合。核心特征效益：(i)氧气产热还原熔融矿；(ii)免烧结/球团/炼焦；(iii)可用低品质原料；(iv)SRV生成CO热气供CCF反应热；(v)能效/碳强度双降20%；(vi)纯CO₂可捕集封存利用→碳足迹再降80%；(vii)大幅提升钢铁生产可持续性；(viii)氮气载气溶碳入铁水；(ix)免高耗能重污染预处理；(x)碳收集高效；(xi)可用生物质/天然气替代煤降碳；(xii)宽原料适应性降投资运营成本；(xiii)大幅降资本支出与运营成本。

HIsarna吸引力在于环经双赢：易捕集高比例CO₂地质封存(达80%)；用热力煤替代冶金煤、用低品位铁矿；粉尘/NOx/SOx/CO排放降60-80%。