FASTMET与FASTMELT：高效金属生产的先进炼铁技术

FASTMET和FASTMELT炼铁工艺

FASTMET是煤基炼铁工艺，可将铁矿石精粉或钢厂冶金废料中金属氧化物转化为金属化铁。FASTMELT在FASTMET基础上增加“电铁熔炼炉”(EIF)生产液态铁或铁水。神户制钢与美卓科技(Midrex Technologies, Inc.，神户制钢美国子公司)合作开发。FASTMET独特利用回转窑炉(RHF)高还原率、高生产率还原含煤团块。图1展示RHF简化剖面和俯视图。

FASTMET工艺用粉碎非焦煤作还原剂，将铁矿石球团料、矿粉和/或钢厂冶金废料转化为直接还原铁(DRI)。终产品DRI可热压块成热压块铁(HBI)，或作为热DRI卸入转运容器，或冷却成冷DRI。热DRI直接从RHF排入EIF熔炼成铁水，可铸成生铁。还原铁/铁水可喂入初级炼钢炉。

除了促进冶金废料回收转炉/电弧炉原料，工艺两大目标：一是提高铁氧化物金属化率，减轻熔炼负担；二是高锌去除率，降低回收循环锌浓度。高炉原料需高抗压强度，FASTMET工艺通过调整粘结剂和原料配比实现。

历史发展

Midrex前身Midland Ross Co.首尝试RHF还原铁矿石。工艺称“Heat Fast”，独特采用复合球团(铁矿石+碳质材料)，格子预热、RHF预还原、竖炉冷却。1965-1966年明尼苏达Cooley 2 t/h中试厂成功测试。

同时天然气基Midrex DRI工艺开发，产品质量优于“Heat Fast”，运行成本低(当时天然气极便宜)，导致“Heat Fast”工作停止，未商业化开发。

1980年代初Midrex重燃RHF直接还原兴趣。多项研究表明RHF基础工艺可按有吸引力价格生产DRI。1990年代天然气价格上涨，Midrex技术中心建成2.75m直径RHF、产能160 kg/h FASTMET中试厂，1992-1994运行100多次实验。

神户制钢与Midrex合作重启RHF煤基工艺开发意在商业化。基于1960年代“Heat Fast”中试工作，改进技术实现更高生产率、产品质量、工艺灵活性和效率，开发出FASTMET工艺。神户制钢和Midrex进一步开发FASTMELT工艺，需RHF热排DRI重力入EIF，专门熔炼FASTMET热DRI生产铁水。

1995年神户制钢加古川厂建成示范中试厂：8.5m直径RHF、产能2.5 t/h，1995-1998连续运行。通过各种示范运行，确立FASTMET商业化。2000年首套商业FASTMET装置供新日铁广畑厂，年处理190,000吨钢厂废料。FASTMET高效回收铁尘获认可。首五套商业装置详情见表1。

可见该工艺目前用于钢厂冶金废料利用。除冶金废料，工艺也可用粒度等于球团料(≤45μm)铁矿石精粉，因工艺内置团聚步骤。FASTMET/FASTMELT提供100,000~500,000 t/a产能炼铁替代路线。FASTMELT为小高炉技术提供替代。RHF和EIF耐火材料为炼铁常用标准规格。EIF设计基于成熟电弧炉(EAF)和精炼炉(LF)技术。

FASTMET工艺特点

FASTMET区别于用天然气重整气体气基还原工艺，在于加热还原复合团块(各由铁矿石/冶金废料+煤组成)。这种简单独特快速加热工艺实现快速还原反应。团块在炉床铺1-2层均匀层，用辐射热加热。防止团块氧化，尽管炉内燃烧废气有相当氧化势。

工艺在RHF理想空气燃料比下同时有效实现团块加热还原。此外，团块内碳生成可燃气体在上方二次燃烧，虽RHF高温环境仍大幅抑制NOx排放，这是另一特点。

随炉床旋转，球团/压块通过三区快速加热。每区三个燃气燃烧器，空气/燃料比可调节实现各区贫/富燃烧。第3区末端通过分隔墙分离最终燃烧区和卸料区。螺旋输送机将热DRI产品从炉床送入分流槽，重力进入氮气吹扫DRI产品容器或EIF。

废气处理装置热交换器将高温废气能量转化为加热燃烧空气或原料干燥空气能量，降低整体能耗。

钢厂粉尘等原料燃烧偶尔产生二恶英。FASTMET工艺RHF温度≥1300℃，足够抑制二恶英生成。RHF废气在二恶英重组温区快速冷却，防止重组。图2展示FASTMET/FASTMELT典型流程图。

RHF排出热废气经蒸发冷却器冷却后入热交换器。废气显热预热RHF燃烧空气和绿球干燥空气至~350℃。离开预热器废气经二次蒸发冷却器进一步冷却入袋式除尘器，回收氧化锌送粉尘仓储存。引风机置袋除尘出口实现废气系统所需压降，控制RHF微负压。

所需公用设施：厂用空气、氮气、蒸汽、仪表空气、补水、液化天然气。还需开式循环工艺水回路和闭式机械冷却水回路。

RHF排出热DRI有三种排放选项：(i)冷却产冷DRI，(ii)压块机压块成HBI，(iii)EIF熔炼成液态铁。液态铁可铸造机铸成生铁。

DRI还原后留多孔隙。长时间暴露空气金属铁再氧化成氧化铁，质量劣化。若DRI不立即作为熔炼炉或高炉原料，压实致密成热压块铁(HBI)防止再氧化，允许长期储存不降质。储存HBI可喂初级炼钢炉或高炉。FASTMET产生还原铁作球团/压块DRI还是经HBI设备成HBI，取决于产品(铁源)用途和储存期。

钢厂产生冶金废料(粉尘)常规造球或烧结回收作高炉原料。高炉原料含挥发成分(特别是锌)，高炉高温区汽化。并非所有蒸汽逸出，部分冷却被新装料捕获留炉内。累积挥发成分降低高炉透气性，严重损害生产率。

FASTMET工艺汽化锌铅等重金属(此前阻碍废铁回收)，转化粗氧化锌等排入废气管线不循环工艺。废气处理设施配冷却收尘系统，结合风冷水冷防挥发成分粘附设备壁，实现长期稳定连续运行，用袋式过滤器收集粗氧化锌等。收集粗氧化锌为宝贵资源随还原铁回收。

工艺及主要反应

FASTMET工艺始于：铁矿石精粉或冶金废料(高铁氧化物)与粉碎煤混合，造球机或压块机团聚成球团/压块，干燥机干燥，在RHF炉床铺1-2层均匀层。

球团/压块入炉须隔绝空气，同时精确控制进料速率。FASTMET含进料管系统，可按炉型调节管数，同时实现隔绝空气和体积控制。采用螺旋式找平系统铺1-2层均匀层。

随炉床旋转，压块受RHF区温>1300℃辐射加热，铁氧化物还原为金属铁。铁氧化物还原主要靠固定元素碳与磁铁矿(Fe₃O₄)或赤铁矿(Fe₂O₃)反应生成金属铁(Fe)和固态黄铁矿，析出CO和CO₂气体。部分碳固溶金属铁形成碳化铁(Fe₃C)。

冶金废料原料中氧化锌、氧化铅等挥发性金属氧化物还原为金属形式汽化。金属蒸气炉内排气前再氧化。

采用神户制钢专有快速加热技术加热炉床球团/压块，快速达到1350℃高温。此加热产生氧化物碳反应。驻留8-16分钟，团块转化为DRI，以1000~1200℃排出炉外或供后续工艺。氧化物碳间不同反应：(i) Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO，(ii) Fe₃O₄+4C=3Fe+4CO，(iii) Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂，(iv) Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂，(v) FeO+CO=Fe+CO₂，(vi) ZnO+CO=Zn+CO₂。

球团/压块还原反应析出燃烧气(CO气)可作RHF燃料，大幅减少燃烧器供燃料量。

FASTMELT EIF气氛本质为CO气，高度还原。此还原气氛促进硅还原和脱硫。

依靠KSL专有技术如抬高还原炉炉床，实现高温DRI稳定连续排出。不同于高炉，FASTMET可相对容易随生产量启停，实现按需生产。

还原机理

直接还原炉还原反应动力学通常由还原气体外扩散控制。FASTMET工艺还原反应发生在铁矿石精粉和粉碎煤组成的碳复合球团/压块内部。复合球团/压块加热后，内部CO气体促进铁氧化物还原。故碳复合球团/压块还原反应比常规直接还原工艺更快。FASTMET过程基本还原反应：(i) FeₓOᵧ+yC=xFe+yCO(吸热)，(ii) CO₂+C=2CO(吸热)，(iii) FeₓOᵧ+yCO=xFe+yCO₂(放热)。

铁熔点以下温度，固体碳与粉碎煤几乎无直接反应，反应(i)主导动力学。≥1000℃高温，碳溶解损失生成CO气反应(ii)和CO气还原铁氧化物反应(iii)在碳复合球团/压块内串联发生。CO气生成控制动力学，强吸热。故须向碳复合球团/压块内部高效供热(≥1000℃)。即辐射热从气氛高效传球团/压块表面，传导热从表面传内部。图3展示碳复合球团/压块还原机理。

RHF中球团/压块通常>1300℃区温加热还原为金属铁。炉床停留典型8-16分钟，随材料、球团/压块尺寸等因素变化。FASTMET快速还原率归因：高还原温度、高传热率、压块内碳与铁氧化物紧密接触。RHF传热和还原反应示意图4。

产品

FASTMET/FASTMELT终产品可为HBI、直接排入转运容器热DRI、冷DRI、液态铁(铁水)。工艺金属化率>85%。FASTMELT铁水温度1450~1550℃，典型成分：C 3%~5%、Si 0.3%~0.6%、Mn 0.6%~1.2%、S<0.05%、P<0.03%。

废气处理与环保控制

RHF排出废气充分燃烧，含~2%氧。热交换器利用废气热能预热RHF燃烧器燃烧空气和原料制备干燥机空气。废气经炉顶耐火材料衬里集气罩入废气管道。废气集气罩相对RHF燃烧区位置由原料分析、还原动力学、CFD验证确定。稀释空气注入废气管道提供冷却并燃烧废气流中剩余可燃物(氢、CO)。

一级冷却器喷水冷却气体从>1400℃至1000℃，最小化NOx生成，提供回收器可接受进口温度。一级冷却器废气流经燃烧空气和干燥空气预热器，废气热量加热RHF燃烧器燃烧空气和转鼓干燥机。废气出预热器入二级冷却器。二级冷却器喷水冷却气体从~800℃至120℃，提供袋式过滤系统可接受进口温度。废气流入喷射织物袋式除尘器收集粗氧化锌，再入引风机经烟囱排大气。

FASTMET通常不需SO₂控制，因大部分SO₂与烟道气流金属氧化物反应吸收。石灰喷射可进一步控SO₂。低NOx燃烧器和严格空燃比燃烧温度操作控制NOx。高温长驻留时间RHF内销毁二恶英呋喃。控制烟气冷却速率最小化二恶英呋喃重组。袋式过滤系统除烟气颗粒物。粗氧化锌袋式过滤系统收集储存料仓。

FASTMET环保工艺。FASTMELT CO₂排放~1.6 t/t铁水，小高炉~2.1 t/t铁水。NOx排放0.3~1.5 kg/t铁水，SOx~2.4 kg/t铁水。

FASTMET工艺效益

FASTMET为钢厂冶金废料处理提供新选择。钢厂内FASTMET装置可处理粉尘生产两主产品：回炼初级炼钢炉DRI、售锌处理商粗氧化锌。变负债为资产。消除高昂处置成本，获得廉价铁单元供应。

工艺效益：(i)工艺极低细粉生成导致二次粉尘高锌极低铁；(ii)高金属化高除锌使还原铁产品可回收初级炼钢炉；(iii)无废弃物处置；(iv)高温处理分解二恶英；(v)锌粉尘经济处理变废为宝。