Romelt熔融还原工艺：高效液态铁生产技术

Romelt炼铁工艺

Romelt工艺是一种生产热金属(铁水)的熔融还原工艺。由俄罗斯国家科技大学"MISiS"(原莫斯科钢铁合金研究院)开发。1978年，Vladimir Roments领导的科学家团队开始设计该工艺，1979年获俄罗斯首项专利。

1985年，在新利佩茨克钢铁厂(NLMK)建成炉膛面积20 m²、年产4万吨热金属的试验厂并投产，由莫斯科Gipromez设计。以可靠的Vanyukov炉为原型。1985-1998年间在试验厂测试掌握工艺，共进行41次冶炼周期(含启动停炉)，全流程出铁出渣，累产热金属4万余吨，后用于转炉(BOF)炼钢。

首座工业化装置

首座基于Romelt技术的工业化热金属生产装置正在缅甸建设。由列宁格勒Gipromez设计，Rostec子公司Tyazpromexport供货。年产20万吨，处理Pang Pet矿床未经选矿的铁矿石(Fe含量高达29%)，使用Kye Thee煤田非焦煤。Romelt缅甸工厂全景见图1。

图1 缅甸Romelt工厂全景

原料与工艺特点

原料适应性

Romelt工艺铁质原料可为任何含铁物料：铁矿石粉/精矿、高炉和转炉粉尘污泥、氧化铁皮、含铁废渣、切削废料和铁粉等。可使用挥发分15%-20%、灰分8%-10%的湿基非焦煤。固体原料(煤、铁氧化物、熔剂)靠重力装入炉内。

工艺特点

• 适应宽广铁质原料范围
• 原料无需预处理
• 非焦煤作燃料兼还原剂
• 无需焦炉、烧结厂等配套单元
• 自发电力满足全厂含制氧厂需求
• 热金属成本低于高炉路线
• 可用于废料处理，此时热金属成本进一步降低

工艺原理

Romelt是单级液相铁还原工艺。含铁物料靠重力进入渣浴并经气体搅拌，在渣中溶解。铁氧化物在渣中由煤碳还原，煤碳也靠重力加料并吹入熔池。为强化传热传质，向渣面下喷吹氧化气体使渣浴鼓泡。熔融渣中逸出CO和H₂气体，在炉顶后燃烧。后燃烧热量主要为渣浴反应提供热能。后燃烧区与渣浴间的主动传热是高效运行的关键。

工艺描述

Romelt采用单级熔融还原技术生产热金属，利用非焦煤还原铁矿石和废料中的铁氧化物。工艺示意图见图2。

图2 Romelt工艺示意图

含铁物料、煤、熔剂经配料斗从相应料仓输送至公共皮带，通过炉顶孔装入炉内。因渣浴剧烈搅拌，装料直接进入渣浴，无需预混合。其他加压工艺需用的密封装置在Romelt炉不需要。Romelt炉工作空间在引风机作用下维持1-5 mm水柱负压。Romelt熔融炉示意图见图3。

图3 Romelt熔融炉示意图

液态渣浴通过位于渣层下方的下部风口吹入氧气或氧空气混合物。风口结构简单可靠，保证渣浴所需搅拌。非焦煤在搅拌液态渣中还原铁质负荷中的铁氧化物。还原生成的液态铁渗碳，液态铁滴靠重力向炉底移动。

熔融炉内有三个区域：(i)搅拌渣区——全反应区；(ii)炉底集铁区——产出热金属聚集处；(iii)静态渣区——位于前两区之间。后两区需有足够容量容纳产出的热金属和渣。

炉两端各设一衬里室(集铁槽)，分别用于热金属和液态渣分别出铁出渣。集铁槽通过不同高度的流道与工作空间相连，确保热金属和液态渣按炉容匹配的速度连续自由出铁出渣。出铁口和出渣口高度不同，保证连续自由出铁出渣。

渣浴中熔化还原负荷所需热量大于下部风口附近非焦煤碳燃烧生成CO提供的热量。工艺核心特征是：上部风口吹氧后燃烧从浴面逸出的CO、H₂和煤挥发分。气体后燃烧生成CO₂和H₂O，向渣浴提供维持原料处理所需的额外热量。

炉底和下部含热金属和静态液态渣的区域用耐火砖衬里，处于温度适宜、非氧化气氛的有利条件下。搅拌渣区炉壁采用铜制水冷壁板，其上形成渣壳衬里减少热损失，避免气-渣-金属乳浊液最剧烈侵蚀部位的衬里磨损。渣面以上炉壁用钢制水冷壁板，炉顶也水冷。

后燃烧后煤气温度高达1700℃，经水冷烟道进入余热锅炉，与自然吸入空气完全燃烧并冷却至250-300℃。回收能量、冷却后经煤气净化系统除尘脱硫，经烟囱排放大气。Romelt炉烟道粉尘产生量平均约为装料重量的3%。

煤在渣浴中的行为

无论还原机理如何，煤是工艺唯一还原剂来源。正常运行条件下，固定碳、灰分、挥发分各异的煤均可作为还原剂。但具体煤耗和氧耗高度依赖煤质组成。

Romelt工艺中未经处理的湿煤从上方落入渣浴。挥发分在渣浴中析出，对工艺进程有促进作用。物料衡算和热量衡算取决于挥发分如何析出、以何种形式存在及在炉内主过程中发挥何种作用。因此，煤挥发分行为是Romelt工艺最关键的环节之一，与煤等级无关。

Romelt煤耗分两部分：(i)与下部风口喷吹氧气反应生成CO所需煤量；(ii)还原氧化物所需煤量。煤量不足会增加渣浴氧化电位，导致渣浴不可控沸腾。但过量煤除增加成本外，还恶化炉内热工状况。

通常认为所需煤量仅取决于煤中固定碳含量。但在Romelt炉中，挥发分也部分参与液态渣浴反应。挥发分中H₂、CO、N₂在渣浴中不变，随煤气逸出形成气相。但CH₄和CO₂按CH₄ = C + 2H₂和CO₂ + C = 2CO参与化学反应。若CO₂少而CH₄多，这些转化提供额外碳还原氧化物。甲烷分解产生的碳微细分散、高活性，改善还原反应动力学。

Romelt工艺使用水分~10%-12%的湿煤。炉内水分蒸发并部分按H₂O + C = CO + H₂分解，需额外碳进行水煤气反应生成CO和H₂。甲烷分解、CO₂还原为CO、水分解三反应在渣浴中同时进行。

化学冶金特性

主要还原过程发生在搅拌渣区。通过底部风口吹氧或氧空气混合物形成高度搅拌渣浴。原料落入搅拌渣中熔化还原。渣浴温度维持~1400-1500℃。非焦煤在此区兼作还原剂和燃料。搅拌渣区主要反应：

• 铁氧化物还原：xC + FeOₓ = xCO + Fe
• 碳气化：2C + O₂ = 2CO
• 煤挥发分裂解：2CₓHᵧ = 2xC + yH₂
• 水分解：H₂O + C = CO + H₂

还原铁形成小液滴，聚聚分离出渣，因密度大移至静态渣区下方的炉底。搅拌渣区和静态渣区的金属-渣相互作用使金属通过微量元素分配得到精炼。

浴中生成的气体(主要CO和H₂)进入燃烧区，与上部风口吹入氧气反应释放能量供熔融反应使用。燃烧区反应：

• 后燃烧：CO + ½O₂ = CO₂；2H₂ + O₂ = 2H₂O
• 煤挥发分燃烧：4CₓHᵧ + (4x+y)O₂ = 4xCO₂ + 2yH₂O

燃烧反应释放的能量传回熔池。下部风口产生的渣浴高湍流强化传热。尾气在炉内仅部分燃烧，允许在常规余热锅炉系统进一步回收能量。

Romelt工艺主要基于铁的液相还原，因此固相和液相两个还原阶段的化学和能量平衡更好。Romelt工艺将大部分加热和还原转移到液相阶段。

渣中铁氧化物还原由渣中煤颗粒和金属夹杂物中溶解碳进行。煤参与炉内铁氧化物还原有两途径：

1. 含煤颗粒气泡表面还原：煤颗粒再生气泡内还原气氛(热力学条件下不含煤颗粒的气泡难以还原铁氧化物)。
2. 煤颗粒与渣直接随机接触还原：类似旋转含碳材料还原铁且强制去除材料表面气泡的条件。

Romelt炉还原发生在：(i)煤颗粒直接接触渣(60%-80%)，(ii)碳直接接触金属滴(10%-15%)，(iii)"气-渣"界面(10%-25%)。典型85%-90%铁在煤颗粒直接参与下还原。这将Romelt液相还原与其他熔融还原工艺区分开——后者中溶解于金属的碳起重要作用(DIOS)或主导作用(HIsmelt)。

Romelt炉渣浴中煤颗粒含量有最优值，虽可在宽范围变化。炉不能过载或欠载煤。亚最优煤量导致渣熔体过度氧化和不可控起泡。常充入超过计算量的煤防止过度氧化，有时有助于稳定工艺。但渣中过量煤颗粒也有上限，超限会导致：渣浴温度下降、渣中氧化铁含量增加、出口气体二次燃烧度降低、余热锅炉释放更多热量。

向炉内额外加氧不促进二次燃烧，因氧气未完全与浮在渣面的煤反应。煤过量或氧化物原料欠量导致渣面形成致密煤层。该层抑制渣飞溅和粘壁，不利于热量从一级燃烧区向渣浴传递，因传热主要通过二次燃烧区下流的渣滴和渣膜进行。

若Romelt炉渣表层煤含量达20%-30%，工艺进入不良状态：煤阻隔二次燃烧区向熔池传热。此状态取决于渣中积累煤的量和组成，也取决于渣湍流循环速率，因湍流决定煤与渣熔体其他成分混合效率。

产品特性与单耗指标

Romelt工艺典型热金属成分：C-4.5%，Si-0.1%，Mn-0.08%，S-0.05%，P-0.1%。

典型渣成分：CaO-39%，MgO-7%，SiO₂-36%，Al₂O₃-11%，FeO-3.0%，MnO-3%，TiO₂-0.1%，S-0.04%。

典型单耗(每吨热金属)：干基非焦煤940-1200 kg，氧气750-850 Nm³。

Romelt工艺优势

• 低压运行和常规辅助设备带来低资本成本
• 无需焦炭或焦煤，运行成本更低
• 可处理任何含铁物料包括冶金废料，无需预处理
• 无需铁氧化物团聚
• 铁回收率高
• 可为小型厂建立高效小规模热金属来源
• 因消除焦炉和团聚(烧结、球团)厂，环保友好