摘要
全面控制溫室氣體排放和應(yīng)對(duì)氣候變化是世界各國(guó)關(guān)注的問(wèn)題世界保護(hù)活著的家園。鋼鐵行業(yè)占全球二氧化碳排放量的10%以上排放量，約其中80%的排放來(lái)自煉鐵過(guò)程。高爐（BF）和非高爐煉鐵工藝，減少排放。流化床技術(shù)已成為一種關(guān)鍵的使用方法在非高爐煉鐵中加工鐵粉，如熔融還原和直接還原。
本文介紹了流化床（FB）技術(shù)的工作原理和幾種典型工作狀態(tài)，闡明了流化床技術(shù)的關(guān)鍵流化床工藝操作。并對(duì)近幾十年來(lái)不同類型的流化床煉鐵工藝進(jìn)行了比較，包括FIOR、DIOS、Circured、Circufer、FINMET、HIsmelt、FINEX等。
最后，本文提出了在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的問(wèn)題及解決方法分析了流化床煉鐵的發(fā)展前景。希望這項(xiàng)工作能夠?yàn)榛A(chǔ)教育的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)流化床還原的理論和技術(shù)研究，為鋼鐵工業(yè)的氫冶金提供支持。
介紹
截至2021年，全球粗鋼產(chǎn)量已超過(guò)19億噸，其中BF+BOF（堿性氧氣爐）和BF+EAF（電弧爐）工藝是主要的生產(chǎn)方法。燒結(jié)和煉焦過(guò)程占鋼鐵生產(chǎn)中污染物和二氧化碳排放量的70%以上。
同時(shí)，對(duì)優(yōu)質(zhì)鐵礦石的日益依賴和焦煤資源的枯竭也是高爐煉鐵連續(xù)生產(chǎn)的限制條件[1,2]。在傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝中，燒結(jié)和煉焦是對(duì)環(huán)境污染極大的生產(chǎn)工藝。燒結(jié)高溫廢氣排放量超過(guò)6000 m3/t，燒結(jié)粉塵、SO2和NOx的排放量占煉鋼總排放量的60%以上。而煙塵排放
焦炭生產(chǎn)中的二氧化碳排放量也占總排放量的30%以上。焦化廠排放的SO2、氨、苯、苯并芘和其他有毒物質(zhì)是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中最大的污染源[3,4]。碳稅在控制溫室氣體排放方面發(fā)揮了重要作用。高爐煉鐵的二氧化碳排放量占總排放量的80%以上鋼鐵工業(yè)。因此，控制高爐煉鐵的二氧化碳排放可以有效緩解整個(gè)鋼鐵行業(yè)的二氧化碳問(wèn)題[5]。
為了擺脫焦煤資源短缺的束縛，減少二氧化碳和其他污染物的排放，無(wú)需燒結(jié)和煉焦的非高爐煉鐵技術(shù)已成為鋼鐵行業(yè)的研究熱點(diǎn)[6,7]。煉鐵生產(chǎn)完全擺脫冶金焦是非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的根本動(dòng)力。世界各國(guó)都在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，非高爐煉鐵工藝是鋼鐵工業(yè)技術(shù)革命尋求新突破的舉措?，F(xiàn)有煉鐵工藝主要包括高爐、熔融還原（SR）和直接還原（DR），如圖1[8]所示。非高爐工藝因其缺乏煉焦煤而受到廣泛關(guān)注，避免了煉焦過(guò)程造成的環(huán)境污染。
2022年，全球直接還原的鐵產(chǎn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到1.247億噸，增長(zhǎng)4.5%?，F(xiàn)有的直接還原煉鐵技術(shù)包括豎爐、回轉(zhuǎn)窯和流化床。圖2和圖3描述了SR和DR煉鐵的分類和過(guò)程。
目前，低溫快速還原新工藝得到了社會(huì)各界的支持。
基礎(chǔ)理論研究工作基本完成。目前正在進(jìn)行反應(yīng)器和技術(shù)優(yōu)化研究，有望成為新一代煉鐵工藝。各種基于氣體的還原工藝可以在較低的溫度下生產(chǎn)海綿鐵或熱壓塊，豎爐工藝比流化床工藝更成熟。所以，豎爐工藝天然氣還原過(guò)程仍占主導(dǎo)地位，天然氣資源受到一定的資源約束。轉(zhuǎn)底爐工藝可以使用低強(qiáng)度含碳球團(tuán)為煤基直接還原工藝注入新的活力，但其能耗高、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差將制約其發(fā)展[9]。
在過(guò)去的二十年里，基于流化床技術(shù)的新煉鐵工藝得到了發(fā)展[10]。
隨著高品位鐵礦石資源的減少和價(jià)格的上漲，細(xì)礦已達(dá)到80%[11]。為了滿足煉鐵的品位要求，必須經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨和礦物加工才能生產(chǎn)出細(xì)鐵精礦。
在高爐冶煉過(guò)程中，礦石中幾乎所有的磷都進(jìn)入鐵水，鐵水的脫磷和煉鋼的一般過(guò)程也非常困難[12,13]。在流態(tài)化氣體還原過(guò)程中，由于還原反應(yīng)溫度低得多，礦石中的磷酸鈣不能被還原成鐵相。
這些技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是細(xì)礦石可以直接用于工藝。復(fù)雜的共生礦產(chǎn)資源可以合理利用。并且可以避免燒結(jié)或造粒等先前處理，這是既定工藝所必需的。
流化床直接還原法是一種利用氣體穿過(guò)流化床中的顆粒固體層，使固體顆粒處于懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（流化）并完成氣固還原反應(yīng)的方法。20世紀(jì)40年代，通過(guò)使用石油催化裂化，現(xiàn)代流化床反應(yīng)技術(shù)得以開(kāi)創(chuàng)[14]。自從流化技術(shù)引入煉鐵行業(yè)以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多流化煉鐵工藝，包括H-IRON、NOVALFER、Nu IRON、HIB、DIOS、FIOR、FINMET、HIsmelt、FINEX、Circored和Circofer工藝。
然而，只有HIsmelt、FINEX、FINMET和Circored已用于工業(yè)生產(chǎn)[14,15]。
本文將首先介紹流化床的起源和發(fā)展過(guò)程。詳細(xì)介紹了流化床的工藝原理和分類，重點(diǎn)介紹了流化床工藝的幾個(gè)重要特點(diǎn)。
還將討論流化床過(guò)程中可能存在的問(wèn)題和解決方案。最后，對(duì)流化床煉鐵技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
流化床反應(yīng)器的原理和分類流化床反應(yīng)器使用氣體或液體穿過(guò)顆粒固體層，當(dāng)固體顆粒懸浮運(yùn)動(dòng)時(shí)，將進(jìn)行氣固或液固反應(yīng)過(guò)程。流化技術(shù)可以將固體散裝材料懸浮在運(yùn)動(dòng)的流體中，從而消除斷開(kāi)顆粒之間的內(nèi)摩擦[16]。這個(gè)
固體顆粒具有一般流體的特性，具有良好的物理和化學(xué)條件。流態(tài)化技術(shù)具有許多冶金功能，包括鐵礦粉的磁化焙燒、粉末鐵礦石的預(yù)熱和低預(yù)還原以及直接還原鐵的生產(chǎn)[17]。
流化床工藝原理(略）
流化床的常見(jiàn)類型
圖5顯示了不同流體作用下流化床的示意性分類[19-21]。詳細(xì)介紹如下：
1） 固定床。當(dāng)流速較低時(shí)，床顆粒保持靜止，孔隙率基本保持恒定，稱為固定床。固定床中顆粒與流體之間的摩擦力隨著流速的增加而增加。床層的壓降（△P）與空塔的流速（a）近似成正比。
2） 臨界流化床。當(dāng)a達(dá)到由流體和顆粒的性質(zhì)決定的相對(duì)確定的值w時(shí)，流體和顆粒之間的摩擦恰好等于顆粒的質(zhì)量。這是固定床和流化床之間的分界點(diǎn)，稱為臨界流化床。
3） 均相流化床。當(dāng)a繼續(xù)增加時(shí)，材料層的孔隙率增加，高度也相應(yīng)增加?？紫堵实脑黾悠胶饬丝账的增加，使實(shí)際a基本保持不變。所以，摩擦力基本上不受空塔的影響?！鱌相對(duì)穩(wěn)定且不變，稱為流化床。使用液體流化介質(zhì)形成的流化床相對(duì)均勻，沒(méi)有明顯的鼓泡現(xiàn)象，稱為均相流化床。
4） 鼓泡流化床。使用氣體流化介質(zhì)形成的流化床有很大不同，特別是床層的不均勻性和不穩(wěn)定性。在材料層中可以觀察到明顯的起泡和開(kāi)槽現(xiàn)象。顆粒運(yùn)動(dòng)比均勻流化床活躍得多，床的膨脹率也不那么顯著，稱為鼓泡流化床。
5） 騰谷床。如果在生長(zhǎng)過(guò)程中氣泡直徑可以超過(guò)流化床的直徑，床層將被氣泡截?cái)?，形成喘振現(xiàn)象。喘振發(fā)生在高流速條件下，僅發(fā)生在氣固流化床中。
6） 上述流化床中的顆粒密度相對(duì)較高，統(tǒng)稱為密相流化床。密相流化床的特點(diǎn)是床層中有一個(gè)清晰的上界面。
7） 稀釋流化床。如果a進(jìn)一步增加到流體和顆粒之間的摩擦大于顆粒質(zhì)量的程度，顆粒將被流體帶走，形成夾帶。夾帶使床層的上界面消失，顆粒密度降低。這種床被稱為稀流化床，它可以使用氣體或液體流化介質(zhì)。
不同類型的發(fā)展與比較
FIOR工藝
美國(guó)?？松梨诠境晒﹂_(kāi)發(fā)了FIOR（流體鐵礦石還原），如圖7所示[29-31]。1976年，委內(nèi)瑞拉奧爾達(dá)斯港建造了一座年產(chǎn)能40萬(wàn)噸的工業(yè)工廠。1983年，F(xiàn)IOR的鐵海綿產(chǎn)量占總產(chǎn)量的4.3%。粒徑小于5mm的鐵礦石粉依次通過(guò)4個(gè)流化床反應(yīng)器。在第一階段，礦粉通過(guò)天然氣或煤氣預(yù)熱至760°C，在那里發(fā)生高溫氣體的還原反應(yīng)[30,32]。礦石中的水分和大部分硫也被去除，并與廢氣一起排放[33]。
其他流化床反應(yīng)器的還原溫度為690~780°C。還原產(chǎn)物的金屬化率可達(dá)92%，然后壓制成塊。通過(guò)重整天然氣和水蒸氣，可以獲得用于流化的還原氣體，其中氫氣含量超過(guò)90%。凈化后的循環(huán)氣與重整天然氣在四級(jí)流化反應(yīng)器中混合，然后進(jìn)入第三級(jí)。用于FIOR的礦石應(yīng)含有少于5%的脈石。為防止粘結(jié)現(xiàn)象，實(shí)際操作中粒徑小于0.043mm的粉末不應(yīng)高于20%[34,35]。
DIOS工藝
20世紀(jì)80年代初，日本開(kāi)發(fā)了一種名為DIOS的熔融還原煉鐵工藝，如圖8所示?；谵D(zhuǎn)換器接口發(fā)電（CIG）方法的發(fā)展，進(jìn)行了深入的研究，包括新的CIG方法的基本概念
熔融還原過(guò)程、鐵浴爐中的高熱效率和二次燃燒率以及預(yù)還原流化床中的氣體還原行為。整個(gè)裝置由使用復(fù)合流化床的預(yù)還原爐和熔融氣化器組成[36]。
與高爐煉鐵工藝相比，DIOS工藝?yán)碚撋峡梢怨?jié)省約10%的生產(chǎn)成本，因?yàn)榭梢允褂酶鞣N非煉焦煤。鐵礦石的大部分還原是在高溫熔爐中進(jìn)行的[36,37]。反應(yīng)溫度高，鐵粒徑小，還原速率快。二次燃燒率可達(dá)30%~60%，二次燃燒的傳熱效率也很高[38,39]。由于最終還原爐的爐襯壽命較短，因此采用了厚渣層操作。由于二次燃燒率高，爐渣中高FeO的金屬回收率和脫硫能力也存在問(wèn)題。此外，當(dāng)流化床用作預(yù)還原時(shí)，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性仍需解決[40,41]。
Circored工藝
美卓Metso Outotec的直接(熔融）還原工藝介紹
20世紀(jì)90年代初，魯奇公司開(kāi)發(fā)了基于氣體的Circored工藝，使用天然氣重整產(chǎn)生的H2作為還原劑，如圖9[42]所示。初始還原階段反應(yīng)迅速，H2向鐵礦石的傳質(zhì)是控制步驟。循環(huán)流化床（CFB）作為一種理想的反應(yīng)器，可以獲得65%~85%的預(yù)還原率。礦石在進(jìn)入初級(jí)CFB之前，在另一個(gè)FB中預(yù)熱并燒結(jié)至850~900°C。
H2作為單一還原劑具有較高的還原潛力，二級(jí)流化床中的還原溫度為630~650°C，易于控制[43]。由于反應(yīng)溫度低，避免了還原過(guò)程中細(xì)粒礦石的結(jié)合，H還原有利于降低結(jié)合。在最終的FB還原反應(yīng)器中，最高還原溫度約為650°C。由于還原溫度低和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件差，操作壓力為4atm，以減少裝置的投資。
Circored工藝使用純H2還原粒徑小于1毫米的鐵礦石，在650°C下還原鐵礦石粉15分鐘的還原率可達(dá)70%[44]。為了提高整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率，需要對(duì)CFB中的鐵礦粉進(jìn)行4小時(shí)的H2還原，以實(shí)現(xiàn)95%的金屬化率。但它必須解決廉價(jià)氫氣的問(wèn)題，使用普通流化床時(shí)粉末的結(jié)合問(wèn)題仍然存在。
Circofer 工藝
采用循環(huán)流化床Circofer工藝，作為魯奇固相直接煉鐵工藝的主要反應(yīng)器，具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)潛力。它可以直接使用廉價(jià)的細(xì)礦石和煤炭，無(wú)需預(yù)處理，由于能量閉路系統(tǒng)，一次能耗相對(duì)較低。由于單位產(chǎn)能大，投資低[45]。如圖10所示，兩級(jí)預(yù)熱系統(tǒng)和兩級(jí)反應(yīng)器的配置實(shí)現(xiàn)了最佳的氣體利用和過(guò)程控制。為了確保最佳的氣體利用率，從而實(shí)現(xiàn)最低的能耗，使用了氣固兩相流的反向運(yùn)動(dòng)，這允許將含塵氣流作為二次氣體引入反應(yīng)器[46]。
煤氣化和還原反應(yīng)器中的礦石還原是分開(kāi)進(jìn)行的。由于天然氣利用率高，可以避免生產(chǎn)中多余天然氣的排放。過(guò)量的碳和較高的空氣速度使材料顆粒具有較高的動(dòng)能，從而可以防止結(jié)合。高氣體轉(zhuǎn)化率和工藝氣體循環(huán)避免了過(guò)量氣體排放[47]。
FINMET流程
1991年，VAI和埃克森美孚在FIOR的基礎(chǔ)上聯(lián)合開(kāi)發(fā)了FINMET工藝，該工藝使用小于12mm的礦粉和四級(jí)流化床反應(yīng)器，如圖11[48,49]所示。一級(jí)流化床的溫度為500°C，壓力為1.1MPa，末級(jí)流化床的溫度和壓力分別為800°C和1.4MPa。熱直接還原鐵粉通過(guò)氣流傳遞到熱壓系統(tǒng)，直接獲得HBI。用于還原的氣體由新產(chǎn)生的氣體和循環(huán)氣體組成。除塵后，循環(huán)氣體與新氣體混合。
去除二氧化碳后，將其預(yù)熱至850℃，然后送入反應(yīng)器。FINMET是目前生產(chǎn)的第一種細(xì)粒礦石直接還原技術(shù)。雖然FINMET工藝仍有一些缺點(diǎn)，但只能在天然氣價(jià)格較低的地區(qū)推廣，無(wú)法加工大量低品位鐵礦石。FINMET采用普通流化床工藝（FB），氣體流速慢，生產(chǎn)能力低（1.5~2t/（m3·d）），容易發(fā)生粘結(jié)。而高壓操作的使用對(duì)設(shè)備和操作要求很高，使得該工藝的進(jìn)一步推廣變得困難[50]。
HIsmelt工藝
簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)HIsarna 前世今生和來(lái)龍去脈CCF+Hismelt
HIsmelt技術(shù)由德國(guó)Klockner和CRA聯(lián)合開(kāi)發(fā)，如圖12[51]所示。細(xì)礦石可以直接用煤粉冶煉。細(xì)礦石和煤粉可以噴入鐵浴爐熔池。從頂部吹出的1200°C富氧空氣可以使煤二次燃燒，產(chǎn)生的熱量可以滿足熔池反應(yīng)的需要。來(lái)自最終還原爐的氣體可以作為預(yù)還原系統(tǒng)的還原劑。煤粉和細(xì)礦石以高動(dòng)能吹入熔池，引起強(qiáng)烈混合。鐵礦粉可以通過(guò)快速傳質(zhì)和高溫快速還原，使HIsmelt能夠加工廉價(jià)的高磷鐵礦石。
由于二次燃燒率高，高溫廢氣的利用價(jià)值很低，只能用于預(yù)熱細(xì)粒礦石。為了充分利用廢氣，HIsmelts計(jì)劃摻入天然氣。這將使廢氣可用于鐵礦粉的預(yù)還原，還原率低于30%。爐子的氧化氣氛會(huì)導(dǎo)致密封件嚴(yán)重腐蝕，從而導(dǎo)致氣體使用效率低下。此外，HIsmelt使用虹吸鐵的方法無(wú)法保證鐵水的溫度。[52].
FINEX工藝
碳加鐵研究員浦項(xiàng)研發(fā)熔融還原技術(shù)講解 中字英音#非高爐煉鐵#低碳冶金@碳加鐵研究員視頻號(hào)該視頻號(hào)不可引用2007年，浦項(xiàng)制鐵和奧鋼聯(lián)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了1~10毫米細(xì)粒礦石的FINEX工藝，使用多級(jí)流化床反應(yīng)器代替COREX的豎爐（8~30毫米的塊礦）還原鐵礦石，如圖13[53]所示。FINEX工藝是流化床工藝和COREX熔融氣化爐工藝的結(jié)合，其中熔融氣化爐提供的熱還原氣體用于流化床反應(yīng)器中，用添加劑還原鐵粉礦石。鐵礦粉和普通煤是生產(chǎn)鐵的原料的可行選擇，這可以降低設(shè)備費(fèi)用和煉焦和燒結(jié)廠造成的環(huán)境危害。
FINEX解決方案需要更高的固定和投資成本，比BF解決方案的投資成本高出約20%。為了降低FINEX的燃料成本，有必要進(jìn)一步降低煤炭消耗。然而，使用流化床工藝可能會(huì)導(dǎo)致1-10mm粉末的粘合問(wèn)題，操作率低于80%。雖然FINEX具有用更豐富的普通煤代替焦煤的優(yōu)點(diǎn)，但與豎爐相比，其流化反應(yīng)器的還原效率較低。FINEX的金屬化率僅為80%至85%，這增加了熔融氣化爐的還原負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致每噸生鐵的煤耗高于高爐。
鞍鋼氫氣流化床工藝
鞍鋼與中國(guó)的幾家研究機(jī)構(gòu)合作，開(kāi)發(fā)了一個(gè)使用綠色氫氣流化床技術(shù)高效生產(chǎn)鐵的示范項(xiàng)目。低碳冶金技術(shù)的這一突破是在2021年7月實(shí)現(xiàn)的，如圖14[55]所示。此外，采用國(guó)際先進(jìn)的流化床氫氣直接還原煉鐵技術(shù)，提高了原料的適用性和還原效率，實(shí)現(xiàn)了高金屬化率的直接還原鐵的高效連續(xù)生產(chǎn)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2023年投入運(yùn)營(yíng)，形成1萬(wàn)噸綠色氫流化床煉鐵示范項(xiàng)目。
該工藝優(yōu)化了鐵精礦原料顆粒的設(shè)計(jì)修改，并采用了兩級(jí)加壓流化床還原、余熱回收等關(guān)鍵技術(shù)。核心工藝設(shè)備的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)使原材料的適用性廣、效率高、節(jié)能。此外，這種純氫流化床解決了兩個(gè)流化床中常見(jiàn)的粉碎和結(jié)合問(wèn)題。高效水電解技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是流化床氫冶金的技術(shù)基礎(chǔ)。
補(bǔ)充：類似流化床氫冶金工藝
HYFOR – 氫基粉礦直接還原熔煉工藝
圖 1 給出了中試裝置的示意性流程圖。原則上，該布局允許材料在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)兩種可能的方式。第一個(gè)是在還原之前預(yù)熱材料期間執(zhí)行的。在此階段，材料直接從材料倉(cāng)裝入熱氣發(fā)生器（空氣加熱器）的煙道氣流中并輸送至旋風(fēng)分離器。在旋風(fēng)分離器中，材料從氣流中分離出來(lái)，隨后材料被氣動(dòng)輸送回材料倉(cāng)。這種布置允許在系統(tǒng)內(nèi)多次循環(huán)材料，以在開(kāi)始還原階段之前達(dá)到所需的材料溫度。旋風(fēng)分離器的廢氣隨后經(jīng)過(guò)洗滌器和除霧器進(jìn)行冷卻和清潔，然后排放到大氣中。
在使用基于磁鐵礦的鐵礦石的情況下，在材料預(yù)熱期間另外發(fā)生氧化。氧化反應(yīng)的放熱特性是有益的，因?yàn)樗С植牧系念A(yù)熱，因此降低了鐵礦石加熱的主要能耗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是材料的還原性。一般來(lái)說(shuō)，磁鐵礦的還原行為較差。預(yù)先的氧化會(huì)導(dǎo)致還原過(guò)程中不同的形態(tài)變化，從而提高還原率，從而提高還原性(5)。
韓國(guó)浦項(xiàng)HYREX：氫還原電熔煉鐵技術(shù)
01 通過(guò)流化床反應(yīng)器還原
在流化床爐中，熱還原氣體通過(guò)設(shè)計(jì)有多個(gè)開(kāi)口的分配板均勻地引入。還原氣體使固體像流體一樣漂浮，從而流化，使細(xì)礦顆粒均勻結(jié)合，產(chǎn)生高效的還原性能。流化床技術(shù)的這種獨(dú)特特性使我們能夠使用細(xì)鐵礦石，而無(wú)需對(duì)其進(jìn)行額外的造粒過(guò)程。02 原料與使用塊狀球團(tuán)的傳統(tǒng) DR 豎井不同，HyREX 流化床能夠按原樣取出細(xì)鐵礦石。因此，HyREX 繞過(guò)了造粒過(guò)程，有助于降低生產(chǎn)成本和 CO 2排放。此外，HyREX工藝的電熔爐能夠采用低品位鐵礦石制成的H2 DRI。這又進(jìn)一步提高了煉鋼的經(jīng)濟(jì)效益。03 溫控技術(shù)由于氫還原本質(zhì)上是吸熱的；因此，產(chǎn)生的熱量不足以維持預(yù)期的反應(yīng)。因此，必須從外部來(lái)源提供額外的熱量。因此，HyREX 流化床反應(yīng)器以多個(gè)順序構(gòu)建，從而可以對(duì)每個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行有效的溫度控制。伍德麥肯茲 | 灰色地帶：鋼鐵真的能走向綠色嗎？
伍德麥肯茲：綠色鋼鐵技術(shù)的下一步是什么?
流化床煉鐵技術(shù)綜述
技術(shù)進(jìn)步在以下幾個(gè)方面取得了重大進(jìn)展：（1）大型流化床工藝設(shè)備。（2） 流化床系統(tǒng)工藝布局的優(yōu)化。（3） 高效利用能源。（4） 與高爐煉鐵工藝的協(xié)同作用帶來(lái)了顯著的生產(chǎn)效益。目前正在開(kāi)發(fā)新的工藝，利用H2作為主要還原劑，包括來(lái)自可再生能源的H2、來(lái)自傳統(tǒng)蒸汽重整器的富H2氣體或富氫廢氣。表1總結(jié)了上述DR和SR工藝的不同流化床技術(shù)的特點(diǎn)。
流化床工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以處理各種類型的細(xì)粒礦石，并且能夠從各種燃料中進(jìn)行選擇，包括煤、天然氣、氫氣等。在流化床工藝中，鐵礦石的還原程度可以通過(guò)控制流化床的壓力、溫度、氣流速度和級(jí)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，粉末流化床的結(jié)合問(wèn)題和其他問(wèn)題尚未完全解決[56]。鐵浴爐二次燃燒與爐襯侵蝕之間的內(nèi)在矛盾帶來(lái)了困難。此外，減少高熱值廢氣的廢氣利用決定了該工藝的經(jīng)濟(jì)性。
氫基材料的問(wèn)題與解決方案
流化床煉鐵與高爐相比，細(xì)鐵礦石可以直接用于流化床生產(chǎn)過(guò)程，而不需要燒結(jié)、造?；驘捊惯^(guò)程。由于操作溫度較低，脈石相不太可能還原為金屬鐵相，使FB在處理復(fù)雜的共生鐵礦石方面更有效。
考慮到化石燃料資源的逐漸枯竭和環(huán)境危害，使用氫能作為熱能來(lái)源和還原劑是提高流化床工藝競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。在流化后期，鐵礦石顆粒由于溫度低和孔隙率低而傾向于粘在一起，導(dǎo)致整個(gè)床層回流，降低了生產(chǎn)率，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。
綠色氫的來(lái)源
通過(guò)經(jīng)濟(jì)低碳技術(shù)生產(chǎn)氫氣是氫冶金的必要條件。然而，大規(guī)模的鐵生產(chǎn)對(duì)氫氣的采購(gòu)提出了挑戰(zhàn)。目前，石化能源占世界氫氣總產(chǎn)量的95%。傳統(tǒng)的制氫方法主要包括重整化石燃料、電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)品氫氣[57]。
最近，引入了生物質(zhì)制氫和光催化制氫等新方法[58]。使用燃煤發(fā)電-水解仍然是氫氣生產(chǎn)的常見(jiàn)途徑，這無(wú)法避免二氧化碳排放問(wèn)題[59]。能源轉(zhuǎn)換效率也是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，消耗更少能源和排放更少碳的氫氣生產(chǎn)技術(shù)路線尚未占據(jù)主導(dǎo)地位。低成本生產(chǎn)“綠色氫”仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)[60]。
氫氣運(yùn)輸和使用的安全是濕法冶金的一個(gè)重點(diǎn)。氫氣在室溫下無(wú)毒、無(wú)色、無(wú)腐蝕性[61]。然而，當(dāng)溫度高于260℃時(shí)，它會(huì)腐蝕碳鋼金屬，導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。由于高壓和低溫，氫氣的液體儲(chǔ)存會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。此外，氫氣是一種高能易燃?xì)怏w，與空氣和氧氣混合時(shí)會(huì)燃燒和爆炸。
氫氣具有自燃溫度低、爆炸范圍廣、檢測(cè)困難等特點(diǎn)，易于擴(kuò)散，在高海拔地區(qū)富集等。[62]. 在社會(huì)能夠一致接受氫能的廣泛使用之前，確保氫能系統(tǒng)的安全是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。成熟的大規(guī)模儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展和氫能的有效利用對(duì)于實(shí)現(xiàn)氫冶金的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要[63]
鐵礦石之間的粘結(jié)現(xiàn)象
在鐵礦粉高溫流化還原過(guò)程中，由于金屬鐵的沉淀，顆粒的粘度增加。這些粒子相互粘附，形成一個(gè)相當(dāng)大的粒子團(tuán)。粘合后，粒徑有可能增加至少10倍或更多。根據(jù)文郁公式[64]，
其中Umf是固體顆粒床中流化開(kāi)始時(shí)氣體的表觀速度；dp是體積當(dāng)量直徑，即與所考慮的顆粒具有相同體積的球體的直徑；s、 g分別是電荷（固體）和氣流（氣體）的密度，g/L和g/cm3；為氣流粘度，Pa·s；g是重力加速度。啟動(dòng)顆粒流化所需的速度與其尺寸的平方成正比。當(dāng)粒徑增加10倍時(shí)，氣體速度必須增加100倍才能保持正常的流化。
因此，當(dāng)團(tuán)聚體達(dá)到一定尺寸時(shí)，所需的最小流化速度將超過(guò)操作氣體速度[65,66]。結(jié)塊將沉積在床層底部，導(dǎo)致異常流化狀態(tài)，如凹槽和節(jié)流，最終導(dǎo)致阻礙氣流的“死床”[67，68]。
在失去正常流量后恢復(fù)流化通常具有挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致連續(xù)不穩(wěn)定運(yùn)行。[69, 70].粘合是該工藝工業(yè)化的重要障礙，已經(jīng)研究了粘合溫度、時(shí)間和指標(biāo)來(lái)描述和評(píng)估粘合行為。結(jié)合指數(shù)SI可用于比較鐵礦粉顆粒之間的結(jié)合行為，如下：還原大于原始樣品；m（total）是整個(gè)樣品粒徑的質(zhì)量。
由于低熔點(diǎn)礦物軟化并結(jié)合在一起，流化床經(jīng)常發(fā)生結(jié)合。CO作為還原劑產(chǎn)生的鐵須也可以連接顆粒，如圖15所示。而H2還原產(chǎn)生的鐵具有很高的活性，聚集后會(huì)導(dǎo)致結(jié)合。
圖16顯示了H2和H2-CO混合還原過(guò)程中鐵礦石顆粒的結(jié)構(gòu)變化。1123 K以上的局部過(guò)熱區(qū)導(dǎo)致煤矸石與產(chǎn)生的FeO固體反應(yīng)形成低熔點(diǎn)礦物，從而形成粘結(jié)[71,72]。眾多學(xué)者在流化床中對(duì)不同條件下的各種鐵礦石進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致粘結(jié)的參數(shù)主要包括還原溫度、氣體流量、還原氣體類型、鐵礦石性質(zhì)（粒徑和脈石類型）和還原度[73,74]。
目前，抑制鍵合的主要措施如下：1）提高氣體速度，降低還原溫度；2） 控制鐵晶體形態(tài)；3） 添加惰性隔離物；4） 快速循環(huán)流化床；5） 將碳附著在礦物粉末顆粒上；6） 改進(jìn)流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)；7）允許粘合并快速分離[75-78]。
結(jié)論與展望
流態(tài)化煉鐵技術(shù)是指通過(guò)流化床直接還原細(xì)鐵礦石。與傳統(tǒng)方法不同，該技術(shù)可以使用無(wú)焦炭的粉末礦石，處理復(fù)雜的國(guó)內(nèi)共生礦石。此外，它還可以與其他直接還原和冶煉技術(shù)相結(jié)合，形成更高效的工藝。流化床在粉末礦石和氣體之間提供了更大的接觸面，加強(qiáng)了傳熱、傳質(zhì)和還原過(guò)程，從而提高了生產(chǎn)效率。此外，在流化床煉鐵中使用H2是減少二氧化碳排放或?qū)崿F(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)零排放的重要一步。
然而，流化床直接還原煉鐵也存在一些技術(shù)局限性，例如流化過(guò)程中的粘結(jié)問(wèn)題。盡管已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性，生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題仍然具有挑戰(zhàn)性。需要系統(tǒng)研究還原度、鐵礦粉金屬化率與結(jié)合現(xiàn)象之間的定量關(guān)系，并找出內(nèi)在關(guān)系。不同成分和濃度的混合還原氣體（CO和H2）對(duì)鍵合的影響機(jī)制需要進(jìn)一步分析和討論。應(yīng)研究添加添加劑的有效抑制措施，不僅要考慮鍵合抑制作用，還要考慮其對(duì)還原過(guò)程的影響。
同時(shí)，氫氣生產(chǎn)過(guò)程的綠色經(jīng)濟(jì)、碳冶金到氫冶金過(guò)程中使用過(guò)程的安全性和效率也是研究的重點(diǎn)。化學(xué)床氫直接還原鐵技術(shù)也存在技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括通用鐵礦石原料改性技術(shù)、加壓H2還原關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)和放大，以及H2生產(chǎn)和煉鋼上下游連接的優(yōu)化。技術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化也是未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)。H2直接還原的快速發(fā)展和應(yīng)用仍然取決于綠色氫氣成本的進(jìn)一步降低，主要依靠新能源的開(kāi)發(fā)來(lái)降低綠色電力成本，以及電解水技術(shù)的創(chuàng)新來(lái)提高H2生產(chǎn)效率。結(jié)合流化床氫氣直接還原煉鐵技術(shù)的突破和完成，流化床氫氣冶金技術(shù)將變得極具競(jìng)爭(zhēng)力。
