IRONARC是一种全新的炼铁工艺，该工艺利用等离子技术，将电能转变成热能。利用IRONARC工艺炼铁，能耗可低于3100kWh/t铁（包括煤与电力消耗），比理想操作条件下的高炉炼铁耗能还要少977kWh/t铁。本文介绍了该技术发展的现状以及工业实施的途径。

   1前言

   全球钢产量约70%是由铁矿石冶炼而成，高炉炼铁则为主要的工艺路线。高炉炼铁的气体排放量占全球温室气体排放量的8%，是钢铁工业造成环境污染的主要来源。理论上，进行化学反应并为高炉冶炼提供热量所需的最低碳消耗量是390kg，即生产每吨铁排放1430kgCO₂。实际上，理想操作条件下的高炉生产每吨铁排放1550kgCO₂，但大多数高炉都不是在理想状态下操作。除此以外，碳必须满足特定的物理性质，因此，焦炭是必需的。

   高炉冶炼工艺历经了300多年的发展和提升，其水平已非常接近最高限。而想要大幅减少二氧化碳排放量的解决方案就要改变整个炼铁工艺。因此，在过去75年里已做了大量的尝试来开发备选工艺，以克服现有的缺陷和取代高炉。对更节能或成本更低工艺的寻求有以下三种：

   ◆固态还原工艺，如直接还原炼铁工艺；

   ◆固态预还原 最终冶炼工艺；

   ◆通过循环再利用分离二氧化碳后的部分废气，进一步提高高炉工艺的能源利用率。

   这三种工艺的开发都利用了逆流原理，以获取尽可能高的能源利用率，但这三种工艺均受限于不同铁氧化物和还原气之间的平衡。由于逆流原理，需要烧结矿，且高炉冶炼仍依赖于冶金焦炭。这意味着这些新的炼铁工艺在减少二氧化碳排放量或减少焦炭用量上均没有重大突破。

   IRONARC是一种全新的炼铁工艺，由瑞典ScanArc Pl asma Technol ogies公司和瑞典欧沃克钢铁公司胡福什厂联合开发。该炼铁工艺利用等离子技术，将电能转变成热能。该工艺所需的碳只进行化学还原反应，相比于传统炼铁工艺可减少50%的碳消耗量和二氧化碳排放量。原材料是直接熔融，因此不需要焦炭和烧结矿。循环工艺废气的内燃烧使能源利用率维持在极高水平。

   利用IRONARC工艺炼铁，能耗可低于3100kWh/t铁（包括煤与电力消耗），比理想操作条件下的高炉炼铁耗能还要少977kWh/t铁。此工艺是炼铁工业中减少化石燃料消耗量和二氧化碳排放量的一种方法，且适用于可再生能源。IRONARC工艺有助于钢厂实现“零填埋”以及独立的废弃物管理。本文介绍了该技术发展的现状以及工业实施的途径。

   2 IRONARC技术

   2.1IRONARC工艺

   IRONARC工艺分两步进行：第一步是冶炼和预还原铁矿石（冶炼阶段），第二步是最终还原为金属铁（还原阶段）。分两步进行可以充分控制每个阶段所需的独特平衡条件。将还原阶段排放的部分废气从内部循环至冶炼阶段再燃烧，用产生的热量熔化新加入的物料。

   图1为IRONARC工艺流程的示意。两个反应炉分别代表冶炼和还原阶段。反应炉通过熔渣流槽相连，并转移熔渣。熔渣流槽设有渣坝、渣锁，可防止一个反应炉中的气体与另一个反应炉中的气体混合。

   在冶炼阶段，将铁氧化物和造渣剂注入反应炉中，铁氧化物在冶炼初期直接熔融。还原阶段产生的工艺气体（主要是一氧化碳和氢气）被回收再循环至冶炼反应炉中。回收的气体可作为熔化物料所需的能量来源以及高价铁氧化物预还原为氧化亚铁熔体的还原剂。随后，氧化亚铁熔体被转移进入还原阶段，加入还原剂后，氧化铁熔体被还原为铁水。

   这个过程是平衡的，所以还原阶段排放的部分废气包含足以熔化在冶炼阶段加入铁矿石所需的热能。还原阶段所需的热能主要是由浸没式等离子发生器供给的电能提供。

   完成这两个阶段的化学平衡需要不同的氧势。图2显示了铁-碳系统平衡气体组分随温度的变化。

   还原阶段中，熔融氧化亚铁被还原成铁水。氧势的操作极限由氧化亚铁和铁之间的平衡线来决定；煤和/或碳氢化合物作为还原剂加入到反应炉中。最终还原要求氧势保持较低水平，因而废气中一氧化碳和氢气含量较高。废气中的二氧化碳、一氧化碳和氢气被回收再循环至冶炼反应炉中，燃烧达到冶炼阶段允许的较高氧势，这由氧化亚铁和四氧化三铁之间的平衡线决定。冶炼和还原阶段的操作温度范围为1200-1400℃，具体温度视铁水中的含碳量而定。

   通过废气的内部再循环和燃烧，热能得以回收。冶炼反应炉允许的氧势越高，再循环气体的燃烧程度就越高，允许回收的热能也更多。冶炼区域与还原区域之间的距离，见图2中标注，代表可以从再循环气体中回收的热能。

   2.2反应炉的概念与技术

   IRONARC工艺由两个相连的反应炉构成。该反应炉的设想来源于ARCFUME工艺，由ScanArc公司开发的一种炉渣烟化法。

   IRONARC工艺由两个ARCFUME反应炉串联连接而成。如图3所示，突出了ARCFUME工艺的主要特点，这些特点同样也适用于IRONARC工艺。

   原材料：由于加入的物料是直接熔融，所以其物理性质并不重要。其效果就是所有类型的铁氧化物均可用于炼铁，如氧化铁皮、氧气火焰清理淤泥、颗粒、粉尘、熔渣等一些钢厂的含铁副产物。

   等离子技术：等离子发生器是一种将电能转换成热能的装置（见图4）。在等离子火炬内，喷射空气被转化为高热焓的等离子气体，然后被注入到熔池中。电弧本身温度高达20000℃，而注入熔池的等离子气体的平均温度达3000-5000℃。

   所需氧势：与常规燃烧器技术相比，利用等离子技术进行能源供给的显著优势就是操作温度和氧势的解耦。具体特点就是有可能在高温环境下保持低氧势操作。氧势表示为工艺废气的燃烧程度，即废气中一氧化碳和二氧化碳的比例。在IRONARC工艺中，氧势由注入的氧气和再循环的一氧化碳气体的流量控制。在操作过程中，通过改变气体流量，氧势瞬间得以控制。操作温度由等离子发生器的能量供给控制。

   熔池剧烈搅拌：气体的注入使熔池搅拌非常强烈。良好的混合条件可使工艺操作接近化学平衡。

   水冷外壳：剧烈发泡高温渣导致较高的热负荷和较强的机械磨损。水冷却发生在反应炉上方的渣层。水冷却在炉内形成了一排冻结的炉渣，防止耐火材料与水接触。

   废气量低：由于等离子气体热焓高，因此与常规燃烧器技术相比，提供相同能量所需的气体更少。

   炉渣转移：炉渣转移的功能是在冶炼和还原阶段之间，通过使两个反应炉里的气体不相混合的方式运输炉渣。

   出铁口：反应炉炉缸的出铁口主要用于还原阶段的金属初生相出铁，以及冶炼阶段的紧急出铁。

   2.3IRONARC工艺的发展现状

   IRONARC工艺设想是由瑞典ScanAr c公司经过20多年逐步开发的，目的是设计