HIsmelt熔融还原主反应器能质流转模型构建与验证

逄靖¹，王振阳¹，张建良^1,2，张树石¹

(1. 北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083；2. 昆士兰大学化学工程学院， 圣卢西亚 4072)

摘要：HIsmelt熔融还原炼铁工艺以铁矿粉和煤粉作为原料，流程中不需要烧结、球团和焦化，与高炉炼铁流程相比具有降碳减排等优势。明晰能质流转过程对HIsmelt熔融还原炼铁实际生产具有指导意义。基于物料平衡、热平衡方程，对输入和输出HIsmelt主反应器物质和能量进行平衡计算，建立能质流转模型，并结合FactSage中Equilib模块计算的各元素在渣铁两相间的质量分配比及实际生产数据对其进行修正。该模型可以计算原料和燃料成分、矿煤质量比、二次燃烧率、热风氧含量等参数对铁水温度、炉渣成分、热风量、煤气量等主要冶炼指标的影响。其次依据该模型，进行了物料平衡、热平衡计算，依据实际生产数据对模型计算结果进行了验证，结果表明该模型与实际生产数据契合度较高。探究了矿煤质量比对冶炼的影响，矿煤质量比为1.39～1.45时，矿煤质量比降低0.1，会使二次燃烧率降低0.23%，进而造成煤气化学能的利用率降低，同时需要更多的热风使煤粉燃烧，热风量和煤气产生量增加，可以通过适当提高热风氧含量以提高二次燃烧率并使煤气量降低来改善；矿煤质量比降低0.001，会使铁水温度升高3.76 ℃，有利于铁水后续的加工处理，但铁水温度升高使铁元素在铁液与渣中的比值降低，使炉渣FeO质量分数升高0.026%，增加铁损，可通过降低富氧热风喷吹量来降低铁的氧化量，从而降低铁损。

关键词：能质流转； HIsmelt； 熔融还原炉； 二次燃烧率； 矿煤质量比； 炉渣铁含量

1 引言

2020年9月，中国在联合国大会上向世界郑重承诺了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。中国2020年粗钢产量超过10.6亿t，约占世界总产量的56%，是世界上最大的钢铁生产及消费国。钢铁行业二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放总量在工业行业中均居前3位。在传统的高炉炼铁流程中，烧结、球团、焦化所产生的CO₂排放约占总CO₂排放量的20%，因此钢铁行业中炼铁流程减排降耗势在必行。

HIsmelt熔融还原炼铁工艺以铁矿粉和煤粉作为原料，流程中不需要烧结、球团和焦化，与高炉炼铁流程相比较，每吨粗钢可减少约410 kg的CO₂排放。HIsmelt工艺于2012年引入中国并实现稳定生产，具有广阔的发展前景。鉴于此，国内外学者对该工艺熔池模拟、炉渣特性、能源利用率以及材料寿命等问题开展了相关研究。

然而从目前的研究现状来看，从系统角度对HIsmelt工艺的物料及能量流分析研究较少见诸报道。因此本文依据物料平衡、热平衡原理，建立能质流转模型研究HIsmelt的熔融还原炼铁过程，旨在明析HIsmelt熔融还原炼铁过程中能量、物料流转过程，进一步促进实际生产中操作参数的合理匹配。

2 精选图表

3 结论

该能质流转模型与实际生产数据有较高的契合度，可用于计算渣铁成分、温度，以及热风量、煤气量等，并预测不同冶炼条件下的冶炼指标。

(1)矿煤质量比降低会使二次燃烧率降低，降低煤气化学能的利用率。同时需要更多热风使煤粉燃烧，从而热风量和煤气产生量增加，可以通过适当提高热风氧含量以提高二次燃烧率并降低煤气总量来改善。

(2)矿煤质量比降低会使铁水温度升高，有利于后续的加工处理，但铁水温度升高使铁元素在铁液与渣中的比值降低，使炉渣FeO含量升高，铁损增加，可通过降低富氧热风喷吹量来降低铁的氧化量，从而降低铁损。