绿色低碳炼铁技术展望

炼铁是钢铁生产流程中重要的一环，目前主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法和等离子法等。由于具有工艺简单、劳动生产率高和综合经济指标良好等优点，可以实现大规模、低成本生产，因此高炉炼铁是当前最主要的炼铁工艺。

但是，高炉炼铁需要配套建设烧结(或球团)与炼焦工序，整个生产工艺流程长、能耗高、污染排放大，加之焦煤资源的短缺，使得钢铁行业成为当前资源环境约束条件下常常被诟病的产业之一。因此长期以来，发展绿色低碳炼铁工艺，一直都是钢铁工业技术创新与突破的重要课题。

从化学反应的角度来说，无论是烧结(或球团)过程还是炼焦过程，或是高炉炼铁过程，都属于典型的非均相化学反应过程。研究化学反应过程，最为关注的是其化学反应速率和反应机理。冶金过程动力学，就是研究冶金过程(包括冶金反应及物理过程)的速度及其机理，从而提高冶金过程的冶炼强度、缩短冶炼时间、提高冶金产品质量、促进冶金工业自动化、探讨和开发冶金新技术及新流程的重要手段。文章从介绍流固非均相反应机理及其反应器模型入手，简要分析当前几种炼铁工艺技术的不足，并对开展绿色低碳炼铁工艺技术研究的方向进行展望。

1流固非均相反应机理及其反应器模型

1.1非均相反应机理

非均相反应过程，又称多相反应过程，是指反应物系包含两个或更多个相的反应过程。对于有固相参与的流固非均相反应过程，其反应机理可按非均相反应动力学理论进行研究。为简单计，先以固体颗粒大小不变且无相变的气固反应模型进行分析。气固无相变反应过程通常包括以下7个基本步骤:

(1)气体反应物从气相主体扩散到固体颗粒外表面;

(2)气体反应物经颗粒内微孔扩散到颗粒内表面;

(3)气体反应物被颗粒内微孔表面吸附;

(4)气固两相在颗粒内微孔表面上发生反应;

(5)反应产物从颗粒内微孔表面脱附;

(6)反应产物经颗粒内微孔扩散到颗粒外表面;

(7)反应产物由颗粒外表面扩散返回气流主体。

其中，步骤(1)和(7)合称为外扩散过程，步骤(2)和(6)合称为内扩散过程，均属传质过程(如果反应过程伴随有吸热或放热现象，则内外扩散过程同时也是传热过程);步骤(3)、(4)和(5)合称为表面反应。每一步骤的阻力，都会对反应速度产生影响。若其中某一步骤的阻力远较其他步骤为大，则该步骤为控制步骤。为了消除内、外扩散对反应过程的影响，通常均可通过增大气流速度(如搅拌、形成湍流流动等)以减小外扩散阻力、通过减小颗粒粒度以减小内扩散阻力，从而加快反应进程、提高设备产能。流固非均相反应，除了上面所述的流体相反应物和固相反应物之间发生的反应外，还包括固相反应物受热分解生成流体相产物的反应、不同流体相之间的反应(如:气体与液滴、气泡与液体、气体与熔体、不混溶的液体与液体)、以及流体相反应物生成固相产物的反应，等。对于固相颗粒大小发生变化的反应(如颗粒溶化、熔化、分解、燃烧等)，不仅要考虑内外传递过程和颗粒内微孔表面反应的影响，还要考虑反应过程中颗粒性状(特性与形状)变化的影响。此外，反应过程中各反应物和生成物组分的分压、浓度和温度分布等，也会影响反应速度。

1.2非均相反应器模型

以煤气化为例，有固相参与的流固反应器模型结构大致可以分为:移动床反应器(常被误称为固定床反应器)、流化床反应器、气流床反应器和熔融床反应器等几类。

(1)移动床反应器，颗粒状或块状固体反应物在反应器内堆积成一定高度(或厚度)的床层，通常流体(气体或液体)则自下而上(或自上而下、或横向)通过固体床层以进行反应。随着反应的进行，固体物料层逐渐下移，移动床反应器因此而得名;同时，由于固体颗粒之间基本上没有相对运动，所以经常被误称为固定床反应器。

(2)流化床反应器，颗粒状固相反应物由分散板上面供给、流体相(气体或液体)反应物从分散板下面送入，流体相流过颗粒相床层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行流固相反应。

(3)气流床反应器，细颗粒与流体相一起从喷嘴高速吹入反应器内，发生“闪速”流固相反应。

(4)熔融床反应器，也称熔池反应器，将反应物加入高温熔池后发生气、液、固多相反应并放出热量以保持熔池始终处于熔融态。在煤气化技术领域有一种熔融床气化技术(铁浴、盐浴或渣浴)，是指煤在熔融物质中与气化剂直接接触而气化。随着现代技术的发展，熔铁浴－熔融还原炼铁及熔盐浴－燃料电池发电联合工艺也引起了人们的广泛关注。

从参与反应过程的固相粒度和流体相速度两个方面来看，适用于移动床(包括固定床)、流化床、气流床的颗粒粒度呈数量级递减，而熔融床反应器中的固相颗粒粒度分布则较宽;相应地，移动床(包括固定床)、流化床、气流床中流体相的流动速度则是呈数量级递增，而熔融床反应器内流体相的喷吹速度也必须足够大以起到搅拌熔池的作用。

2几种炼铁工艺简析

2.1高炉炼铁工艺

从前面的分析可知，增大流体相速度和减小颗粒粒度可以加快反应进程、提高设备产能。因此，气流床反应器更有利于反应过程的快速进行。但是，高炉炼铁工艺流程中，石灰石焙烧、烧结(烧结矿或球团矿)、炼铁等铁前系统的主要反应过程，其反应过程装备都可归类于移动床反应器(石灰回转窑的反应器模型可以看作是一种流体相横向流动的移动床)，而焦炉是则真正意义上的固定床。因此，高炉炼铁工艺，无论是高炉本身，还是配套的烧结(球团)、炼焦、石灰窑等工序，其反应速度都是比较慢的，只有通过设备的大型化才能扩大单一装备系统的产能。

2.2直接还原铁工艺

非高炉炼铁技术是世界冶金发展的重大课题之一，对炼铁节能减排、实现生产过程环境友好、降低炼铁对主焦煤的依赖度有重大意义。非高炉炼铁主要有直接还原炼铁与熔融还原炼铁两大类型。在众多直接还原炼铁工艺中，其反应器大都为竖炉、反应罐、转体炉、回转窑和隧道窑等，反应速度很慢。只有FIOR、H-IRON、NO-VALFEＲ等少数几种工艺采用的是反应速度稍快的流化床，但这些流化床炼铁工艺都存在细粉粒夹带、粘结失流等问题。为避免粘结失流，必须采取较低还原温度和较大气体流速，这反过来又会降低气体利用率、造成流化床中铁矿石的还原速率较低。为克服以上缺陷，德国鲁奇(Lurgi)公司开发了循环流化床炼铁工艺技术，在900℃以上高温运行时没有发生粘结失流现象。1976年，循环流化床炼铁工艺被瑞典Asoa公司和Koppurberg公司选作Elred熔融还原法中的预还原装置。

2.3熔融还原铁工艺

研究表明，铁浴熔融还原具有比固态、气态还原快得多的优越性。在相同条件下，铁水中溶解碳还原熔融FeO的速度要比固体碳或CO还原优质铁矿石的速度快10～100倍、比900℃的CO还原优质铁矿石的速度快100～1000倍。因此，熔融还原炼铁技术受到广泛关注，已经或正在开发的熔融还原炼铁工艺技术有30多种。根据含铁原料预还原的程度不同，熔融还原炼铁工艺可分为一步法和二步法两类。目前还处于工业试验的一步法工艺有ROMELT、CCF、HIsmelt和AUsmelt等。一步法虽然具有流程短、投资少、可以处理高磷铁矿等优点，但也遇到两个困难:一是熔融氧化铁的腐蚀性极强，炉衬寿命很短;二是过程中产生的高温煤气无法有效回用于炼铁，系统热效率不高。二步法熔融还原炼铁工艺中，目前已经实现工业化生产的只有COREX和FINEX，另外一些工艺技术如DIOS、RESMELT等也完成了工业试验或建成了工业示范装置。二步法工艺系统复杂、设备投资较大。

王维兴认为，熔融还原装置不仅对原料质量的要求较高，而且由于使用纯氧冶炼使得对炉衬材料质量的要求也高、设备的使用寿命较低，系统投资和运行成本高，在经济性方面熔融还原炼铁工艺与高炉炼铁工艺不具竞争性。

2.4闪速炼铁工艺

用于铜、镍等硫化矿冶炼的闪速熔炼工艺，充分利用细磨物料的巨大活性表面，将细粒硫化物精矿和熔剂与空气(富氧空气或氧气)一并喷入炽热的闪速炉膛内，固体颗粒悬浮在紊流气流中，造成气、固、液三相间良好的传质、传热条件，使化学反应以极高的速度进行。该工艺有效地利用了精矿中硫、铁的氧化反应热，节约能量，适于处理含硫高的浮选精矿。2011年开始，在美国钢铁协会的资助下，犹他大学在一个小规模的氧燃烧器上对气基直接闪速还原铁精粉工艺进行了数年实验研究。该新工艺利用气体如天然气、氢气、合成气或者这些气体的混合气体作为还原剂，相比于高炉炼铁工艺，有望降低32%～57%的燃料消耗以及61%～96%的CO2排放。

3绿色低碳炼铁工艺创新方向

3.1炼铁工艺技术的创新思路

长期以来，关于炼铁工艺技术的创新，最重要的就是关于非高炉炼铁技术的研究，目的是取消炼焦、烧结工艺，直接使用粉煤、粉矿。随着资源环境约束的日益加剧，这一课题仍将会继续成为广大钢铁科研人员努力奋斗的目标。围绕这一目标，结合现有各种非高炉炼铁工艺技术的研究成果与应用情况，提出几点新的研究思路:

一是要将新炼铁工艺的开发与可获取的低成本能源、铁矿等资源禀赋情况结合起来，实现低成本炼铁。对于中国钢铁企业来说，就是要首先发展煤基非高炉炼铁工艺技术，所开发的新工艺对煤种、矿品的适应性要强;二是要将新炼铁工艺的开发与煤炭清洁利用技术的开发结合起来，并充分利用过程反应热，实现冶炼过程超净排放与低能耗;三是要将新炼铁工艺的开发与“冶金－能源转换－煤化工－资源再利用”一体化流程工艺技术的开发结合起来，实现钢铁工业的功能拓展;四是要将新炼铁工艺的开发与“智能工厂”的建设工作结合起来，实现生产过程连续化、信息化、数字化、智能化，生产规模灵活可调。

3.2强化炼铁相关反应过程的举措

强化冶炼过程，主要从以下四个方面着手:一是减小固相反应物(铁矿粉、煤粉、熔剂)颗粒粒度，以提高其比表面积;二是提高多相反应体系中各物相之间的相对运动速度，以使各相能够快速、充分接触;三是充分发挥铁浴熔融还原比气固两相还原快得多的特性;四是采用富氧或纯氧为铁矿石还原吸热反应创造有利条件，并提高副产煤气热值。以上前两点强调的是要尽量采用流化床或气流床技术，并重点关注气流床炼铁工艺(如闪速炼铁);第一和第三两点说明熔融还原炼铁技术也是一个重要方向，并尤以直接使用粉状物料(铁矿粉、煤粉、熔剂)的一步法熔融还原炼铁工艺(如ＲOMELT、HIsmelt)为首选。

3.3气流床炼铁工艺研究重点

对于流化床炼铁工艺的研究，主要关注以下几个方面的内容:

(1)气流床炼铁炉炉型选择，是卧式(如闪速炉)还是立式(如类似于Texaco煤气化炉的炉型)?

(2)气流床炼铁炉炉型结构主要参数的设计，是否需要还原性气体的二次喷吹入炉?

(3)炉内压力场、速度场、温度场和浓度场的研究，及其对煤炭气化及铁矿石还原反应的影响;

(4)炉内反应物颗粒大小对反应速度与还原度的影响，及其对系统总能耗的影响;

(5)防止流化床中反应物粘结失流的产生;

(6)控制流化床中反应物颗粒、反应产物颗粒被气流夹带，发生短路流;

(7)炉内还原反应终了后的出铁、排渣方案设计;

(8)副产煤气的除尘净化及余热回收技术研究，以及提高副产煤气的利用附加值;

(9)耐火材料的选择。

3.4一步法熔融还原炼铁工艺研究重点

对于一步法熔融还原炼铁工艺的研究，主要应关注以下几方面的内容:

(1)一步法熔融还原炼铁工艺的连续生产问题;

(2)提高二次燃烧率和二次燃烧传热效率，以提高能源利用效率;

(3)防止还原区内铁水被再氧化;

(4)炉内还原反应终了后的出铁、排渣方案设计;

(5)副产煤气的除尘净化及余热回收技术研究，以及提高副产煤气的利用附加值;

(6)炉衬耐火材料的防腐蚀及耐火材料的选择。

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