電漿熔融還原法(plasmasmelt process)是指以電漿作為熱源的熔融還原練鐵方法，1980-1981年，瑞典的SKF公可將一座年產2.5萬t海綿鐵的維伯爾直接還原法的裝置改造為Plasmared(電漿還原)裝置，用電漿作為熱源生產直接還原鐵在工業上得到實現。開始使用的還原劑是液化石油氣，1982年改造後可使用水煤漿。與此同時，其他電漿熔融還原法也在不少國家得到試驗和開發。
基本介紹
- 中文名：電漿熔融還原法
- 外文名：plasmasmelt process
- 用途：煉鐵
- 特點：能量高度集中
- 原理：加速煤的燃燒和氣化
- 學科：冶金工程
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電漿加熱原理
等離子是固態、液態和氣態之外的物質第4態，是分布於中性粒於氣體中的電子與離子的混合物，本身電性中和，可導電。電漿是用直流或交流電在兩個或更多個電極間放電獲得的。用高頻電場放電也可獲得功率不大的電漿、氣體電離成電子和離子時吸收電能，而當其複合時則放出熱能。它是一種新的電熱能源，從冶金工程用大功率發生器看，可以說是一種氣體電弧。等離子休電熱轉換所用的裝置是等離子發生器。
冶煉特點
採用電漿冶煉具有以下特徵：
(1)能量高度集中。冶金用電漿的焓值常在12000-45000kJ/m3，其能量集中程度遠高於高爐熱風，故可產生高溫。常規工業加熱，溫度達到2000℃己近極限，而在等離子火炬中，溫度可達很高，例如4000℃。
(2)氧勢可調。電漿加熱，可以採用不同的電漿工作氣體或工藝氣體，工作氣氛的氧勢隨工作氣體發生變化，因此採用不同的工作氣體，就可達到調整氧勢的目的。如採用H2、CO形成還原性火焰，採用Ar2、N2形成中性火焰，而採用空氣或O2即形成氧化性火焰。
(3)有較高的電熱轉換效率和可控性能。常用電漿發生器用直流電，因此功率因數高，網路損失小，傳熱過程不僅依靠輻射也依靠高速氣體的對流，電熱效率較高。這一電能轉換系統易於調整參數，穩定的電弧設備也比較簡單。
冶煉工藝
熔融還原煉鐵工藝實際上是以煤粉為主要能源。有效地以煤作為熱源和還原劑只有兩條出路，即採用氧煤強化法或電煤強化法。採用電漿加熱可將電能有效地轉變為熱能，加速煤的燃燒和氣化，從而將電漿技術用於鐵礦石的直接還原和熔融還原工藝是可行的、SKF公司的等離子熔融還原技術有PLASMARED、PLASMASMELT、PLASMADUST和PLASMACHROME等4種工藝。
PLASMARED工藝
此工藝中、等離子發生器安裝在等離子氣化爐上，用於煤制氣過程。煤或其他燃料與氧化劑(例如水或氧氣)反應，生成直接還原氣，主要成分為H2和CO。高溫還原氣經脫硫裝置，用白雲石脫硫後提供給豎爐直接還原使用。氣化爐內煤氣化所需熱量大部分依靠碳氧燃燒反應放熱，少部分由等離子發生器供給，以維持適當的氣化溫度，從而保證完全氣化，並很好地控制還原氣的質量和爐渣溫度。同時，為使煤氣化過程中不生成碳黑，必須添加一些水蒸汽作為氧化劑和改善還原氣質量。所需的額外熱量很容易由等離子發生器提供。電漿產生的高溫，保證煤氣化過程中灰分的熔化，形成的液態渣能順利從氣化爐中排出。採用等離子發生器使氣化反應速度顯著加快，並能更好地控制氣化反應和成渣反應。從理論上說該方法對煤的等級、灰分含量和灰分熔化溫度沒有限制。粗煤氣中的CO2和H2O在焦炭填充床氣化爐中與碳反應，降低煤氣的氧化度，不生成碳黑。還原氣離開氣化爐爐頂時的溫度約為950℃，CO2含量≤3%。
工藝所用含鐵料為塊礦、球團礦。產品為直接還原鐵，金屬化率93%，含碳量保持在1.5%。焦炭或木炭耗量通常為供給的總碳量的7%-10%。耗電量低於氣化爐總輸入能量的20%。工藝總能耗8.8GJ/t。等離子發生器裝置功率6MW，效率可保持在86%-90%的範圍，電極壽命超過400h。
PLASMASMELT工藝
此工藝以兩級流化床為預還原裝置，焦炭填充床豎爐為終還原裝置。精礦或礦粉在兩級流化床中進行預還原，所用的還原氣來自終還原爐。礦石的終還原、熔化和渣鐵分離在焦炭填充床中完成，產品為鐵水。礦石進入預還原之前，採用流化床進行預熱、乾燥。預還原兩級流化床彼此重疊布置，含鐵原料是磁鐵精礦或赤鐵精礦，還原氣成分為：68%CO，29%H2以及少量的其它氣體。根據鐵礦粒度和還原性，預還原裝置的處理能力為700-1200kg/h，鐵礦的粒度最大可達2mm。還原度通常為50%--60%(相當於金屬化率25%-40%)，由於還原度較低，流化床操作比較簡單。預還原爐料與煤粉一起被吹進裝滿焦炭的、裝備有等離子發生器的豎爐。終還原在焦炭填充床中進行，渣鐵熔化、分離，出渣出鐵與高爐相似。終還原產生的煤氣送到流化床供預還原使用。
在裝備有一套1.5MW等離子發生器的中間試驗裝置上進行了多次試驗，證明該法的技術可行性。特別是對該法的熔融還原部分(裝備等離子發生器的豎爐)已進行了充分研究。與高爐煉鐵相比，該工藝可以在電價不高地區(如瑞典)經濟地進行較小規模的生產。
PLASMMADUST工藝
該方法是plasmasmelt工藝終還原部分的變型，用於從各種氧化物廢料(例如集塵器粉塵)中回收金屬。細粒狀的氧化物廢料與煤粉一起用工作氣體噴入焦炭填充床豎滬，該豎爐裝備有等離子發生器，設備工作原理與plasmasmelt法基本相同。用該方法處理有色金屬廢料具有很高的回收率。這些金屬的氧化物在充滿焦炭的豎爐里被還原，還原出的金屬揮發並隨煤氣一起從豎爐爐頂排出，然後這些金屬在爐外用一個常規的冷凝器收集起來。用含有大量鋅、鉛氧化物做為原料冶煉時，其鋅、鉛和鐵的回收率可達96%。處理冶煉不鏽鋼的爐塵時，生產的合金鐵水幾乎全部回收了爐塵中的鉻、鎳和銅。
PLASMACHROME工藝
該方法也屬plasmas-melt工藝終還原部分的變型，生產鉻鐵。把鉻精礦或礦粉與煤粉一起直接吹進豎爐進行熔融還原，製得高碳鉻鐵或含鉻料。該方法冶煉鉻鐵有3個優點：
(1)直接使用鉻精礦或粉礦冶煉而不經過造塊，可以顯著降低成本；
(2)以煤以替冶金焦作為主要的還原劑；
(3)冶煉過程控制比較簡單。
展望
電漿熔融還原是一種高效的電煤熔融還原方法。從研究開發的多種工藝特點看，在處理難熔和難還原金屬及工業廢棄物方面有很大的優勢，瑞典仍然用該類裝置從氧化物廢料中回收金屬；小規模生產靈活性優於高爐。隨著電力工業的加速發展和電價降低，電漿熔融還原在中國的發展前景廣闊。
