[科普中国]-等离子体熔融还原法

等离子体熔融还原法(plasmasmelt process)是指以等离子体作为热源的熔融还原练铁方法，1980-1981年，瑞典的SKF公可将一座年产2.5万t海绵铁的维伯尔直接还原法的装置改造为Plasmared(等离子体还原)装置，用等离子体作为热源生产直接还原铁在工业上得到实现。开始使用的还原剂是液化石油气，1982年改造后可使用水煤浆。与此同时，其他等离子体熔融还原法也在不少国家得到试验和开发。

简介等离子体熔融还原法(plasmasmelt process)是指以等离子体作为热源的熔融还原炼铁方法，1980-1981年，瑞典的SKF公可将一座年产2.5万t海绵铁的维伯尔直接还原法的装置改造为Plasmared(等离子体还原)装置，用等离子体作为热源生产直接还原铁在工业上得到实现。开始使用的还原剂是液化石油气，1982年改造后可使用水煤浆。与此同时，其他等离子体熔融还原法也在不少国家得到试验和开发1。

等离子体加热原理等离子是固态、液态和气态之外的物质第4态，是分布于中性粒于气体中的电子与离子的混合物，本身电性中和，可导电。等离子体是用直流或交流电在两个或更多个电极间放电获得的。用高频电场放电也可获得功率不大的等离子体、气体电离成电子和离子时吸收电能，而当其复合时则放出热能。它是一种新的电热能源，从冶金工程用大功率发生器看，可以说是一种气体电弧。等离子休电热转换所用的装置是等离子发生器2。

冶炼特点采用等离子体冶炼具有以下特征：

(1)能量高度集中。冶金用等离子体的焓值常在12000-45000kJ/m3，其能量集中程度远高于高炉热风，故可产生高温。常规工业加热，温度达到2000℃己近极限，而在等离子火炬中，温度可达很高，例如4000℃。

(2)氧势可调。等离子体加热，可以采用不同的等离子体工作气体或工艺气体，工作气氛的氧势随工作气体发生变化，因此采用不同的工作气体，就可达到调整氧势的目的。如采用H2、CO形成还原性火焰，采用Ar2、N2形成中性火焰，而采用空气或O2即形成氧化性火焰。

(3)有较高的电热转换效率和可控性能。常用等离子体发生器用直流电，因此功率因数高，网络损失小，传热过程不仅依靠辐射也依靠高速气体的对流，电热效率较高。这一电能转换系统易于调整参数，稳定的电弧设备也比较简单1。

冶炼工艺熔融还原炼铁工艺实际上是以煤粉为主要能源。有效地以煤作为热源和还原剂只有两条出路，即采用氧煤强化法或电煤强化法。采用等离子体加热可将电能有效地转变为热能，加速煤的燃烧和气化，从而将等离子体技术用于铁矿石的直接还原和熔融还原工艺是可行的、SKF公司的等离子熔融还原技术有PLASMARED、PLASMASMELT、PLASMADUST和PLASMACHROME等4种工艺1。

PLASMARED工艺此工艺中、等离子发生器安装在等离子气化炉上，用于煤制气过程。煤或其他燃料与氧化剂(例如水或氧气)反应，生成直接还原气，主要成分为H2和CO。高温还原气经脱硫装置，用白云石脱硫后提供给竖炉直接还原使用。气化炉内煤气化所需热量大部分依靠碳氧燃烧反应放热，少部分由等离子发生器供给，以维持适当的气化温度，从而保证完全气化，并很好地控制还原气的质量和炉渣温度。同时，为使煤气化过程中不生成碳黑，必须添加一些水蒸汽作为氧化剂和改善还原气质量。所需的额外热量很容易由等离子发生器提供。等离子体产生的高温，保证煤气化过程中灰分的熔化，形成的液态渣能顺利从气化炉中排出。采用等离子发生器使气化反应速度显著加快，并能更好地控制气化反应和成渣反应。从理论上说该方法对煤的等级、灰分含量和灰分熔化温度没有限制。粗煤气中的CO2和H2O在焦炭填充床气化炉中与碳反应，降低煤气的氧化度，不生成碳黑。还原气离开气化炉炉顶时的温度约为950℃，CO2含量≤3%。

工艺所用含铁料为块矿、球团矿。产品为直接还原铁，金属化率93%，含碳量保持在1.5%。焦炭或木炭耗量通常为供给的总碳量的7%-10%。耗电量低于气化炉总输入能量的20%。工艺总能耗8.8GJ/t。等离子发生器装置功率6MW，效率可保持在86%-90%的范围，电极寿命超过400h3。

PLASMASMELT工艺此工艺以两级流化床为预还原装置，焦炭填充床竖炉为终还原装置。精矿或矿粉在两级流化床中进行预还原，所用的还原气来自终还原炉。矿石的终还原、熔化和渣铁分离在焦炭填充床中完成，产品为铁水。矿石进入预还原之前，采用流化床进行预热、干燥。预还原两级流化床彼此重叠布置，含铁原料是磁铁精矿或赤铁精矿，还原气成分为：68%CO，29%H2以及少量的其它气体。根据铁矿粒度和还原性，预还原装置的处理能力为700-1200kg/h，铁矿的粒度最大可达2mm。还原度通常为50%--60%(相当于金属化率25%-40%)，由于还原度较低，流化床操作比较简单。预还原炉料与煤粉一起被吹进装满焦炭的、装备有等离子发生器的竖炉。终还原在焦炭填充床中进行，渣铁熔化、分离，出渣出铁与高炉相似。终还原产生的煤气送到流化床供预还原使用。

在装备有一套1.5MW等离子发生器的中间试验装置上进行了多次试验，证明该法的技术可行性。特别是对该法的熔融还原部分(装备等离子发生器的竖炉)已进行了充分研究。与高炉炼铁相比，该工艺可以在电价不高地区(如瑞典)经济地进行较小规模的生产2。

PLASMMADUST工艺该方法是plasmasmelt工艺终还原部分的变型，用于从各种氧化物废料(例如集尘器粉尘)中回收金属。细粒状的氧化物废料与煤粉一起用工作气体喷入焦炭填充床竖沪，该竖炉装备有等离子发生器，设备工作原理与plasmasmelt法基本相同。用该方法处理有色金属废料具有很高的回收率。这些金属的氧化物在充满焦炭的竖炉里被还原，还原出的金属挥发并随煤气一起从竖炉炉顶排出，然后这些金属在炉外用一个常规的冷凝器收集起来。用含有大量锌、铅氧化物做为原料冶炼时，其锌、铅和铁的回收率可达96%。处理冶炼不锈钢的炉尘时，生产的合金铁水几乎全部回收了炉尘中的铬、镍和铜3。

PLASMACHROME工艺该方法也属plasmas-melt工艺终还原部分的变型，生产铬铁。把铬精矿或矿粉与煤粉一起直接吹进竖炉进行熔融还原，制得高碳铬铁或含铬料。该方法冶炼铬铁有3个优点：

(1)直接使用铬精矿或粉矿冶炼而不经过造块，可以显著降低成本；

(2)以煤以替冶金焦作为主要的还原剂；

(3)冶炼过程控制比较简单1。

展望等离子体熔融还原是一种高效的电煤熔融还原方法。从研究开发的多种工艺特点看，在处理难熔和难还原金属及工业废弃物方面有很大的优势，瑞典仍然用该类装置从氧化物废料中回收金属；小规模生产灵活性优于高炉。随着电力工业的加速发展和电价降低，等离子体熔融还原在中国的发展前景广阔3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学