低碳炼铁：闪速炼铁（钢）方法介绍
低碳炼铁：闪速炼铁（钢）方法介绍
随着全球对低碳冶金的重视，钢铁行业正面临着开发更加节能和环保的创新炼铁技术的挑战。闪速炼铁（钢）技术作为一种新型的低碳炼铁方法，因其高效、节能和环保的特点而备受关注。本文将详细介绍闪速炼铁（钢）技术的原理、工艺流程及其在低碳转型中的应用前景。
炼铁过程消耗大量能源并产生大量二氧化碳。面对低碳冶金的二氧化碳减排要求，钢铁行业需要开发一种更加节能和环保的创新炼铁技术。这种技术应该比传统的高炉/焦炉组合更便宜，并且能够以足够大的规模生产铁以满足钢厂的需求。
目前，高炉工艺中的固体进料主要包括铁矿烧结矿或焦煤制成的球团矿和焦炭，这些生产过程都消耗大量能源并容易造成环境污染。替代炼铁的直接还原工艺主要分为两类：竖炉工艺（如Midrex和Energiron）和流化床工艺（如FIOR、FINMET、CIRCORED和SPIREX）。然而，这些工艺的强度还不足以与高炉竞争。竖炉工艺必须使用氧化铁精矿球团，在生产过程中会消耗能源并排放包括CO2在内的污染物。
闪速炼铁技术的创新优势
新颖的高强度闪速炼铁工艺是一种可行的替代方案，它使用丰富的铁精矿作为原料。该过程将使用廉价、丰富的天然气（或氢气）来加热矿石并除去氧气，将矿石转化为铁金属。与直接还原铁类似，这一进步将加工细粉矿石，从而消除压块过程。该产品可以添加到电弧炉或碱性氧气炉中，以实现更清洁的炼钢。
闪速炼钢是遵从闪速冶金原理的一系列炼钢方法的统称。21世纪初，受闪速炼铜、闪速炼镍及闪速炼铅的启示，国内外均开始了闪速炼铁的研究工作。美国犹他大学的研究指出，在1750K、H2+CO的过剩系数为500%的还原气体中，铁矿石在3秒内的还原率为99%，证明了闪速炼铁的优异性能，并建议开启取代高炉炼铁的工业化进程。
闪速炼铁技术的工艺特点
来自犹他大学的孙教授构思了一种新颖的闪速炼铁技术（FIT），用于通过闪速还原工艺直接从细精矿生产铁。该工艺使用还原剂气体，例如天然气、氢气或两者的混合物，不需要其他炼铁工艺所需的球团矿、烧结矿或焦炭。与高炉炼铁相比，新技术将显着降低能源消耗30-60%，二氧化碳排放量减少60-96%，具体取决于是否使用氢气或碳氢化合物气体。FIT不会出现颗粒粘附或颗粒崩解等问题。高品位块铁矿石在世界范围内都很稀缺，必须将新储量磨成更细的尺寸才能进行选矿。因此，预计全球范围内将生产越来越多的可供给FIT反应器的精矿。
与使用竖炉或流化床炉的粉末工艺相比，闪速炼铁的一个主要优点是消除了高温下的粘连和颗粒融合。与需要将矿石团聚成球团用于炼铁的工艺相比，使用矿粉的能力提供了成本优势。细颗粒还将熔炉的处理时间缩短至几秒钟。这意味着相同输出的系统更小，从而降低了资本成本和运营成本。其他潜在的好处包括提高耐火材料的寿命，以及方便地将原材料送入容器。
通过消除球团化、压块或烧结，闪速炼铁工艺可比竞争工艺降低高达15%的能耗。使用天然气或氢气代替焦炭作为还原剂可以显着减少温室气体排放。初步估计显示，使用天然气的二氧化碳排放量比使用高炉工艺少39%。与竞争工艺相比，闪速炼铁工艺可以为钢铁厂提供显着更节能和定制的炼铁生产设施。
闪速炼铁技术的具体应用
闪速炼铁技术（FIT）简介
新型闪速炼铁工艺流程示意图如图1所示。在此过程中，燃料气体与吨位氧气部分燃烧，产生1500-1800 K的还原气体。注入的精矿颗粒在向下移动时被还原。该工艺可用于产生用于可能的直接炼钢的铁水浴或产生可装入后续炼钢炉中的固体铁颗粒。
图1：新型闪速炼铁工艺流程示意图
图2：犹他大学安装了闪蒸反应器的试点工厂
北京科技大学Yiru Yang等人对煤气化和闪速炼铁联合工艺进行了深入研究。煤气化和闪速炼铁联合工艺被认为是一种多联产系统，可以同时获得金属铁和合格的合成气。煤气化与闪速炼铁联合工艺（CG-FI）最初是为了实现新型闪速炼铁的工业化而提出的。在此过程中，赤铁矿浓缩颗粒在高温还原气体中闪蒸还原为金属铁。煤气化是一种相对成熟的化学工艺，用于生产廉价、优质的煤气，适合作为实现闪速炼铁的还原性气体。
在这项研究中，提出了煤气化和闪速熔炼联合工艺作为多联产系统以提高效率。其中一种工艺方案如下图1所示。优质煤气进一步用于甲醇合成，可直接获得有价值的副产还原铁。最关键的气化还原耦合过程（GRCP）发生在耦合反应器中，如图2所示。反应塔是一个气流床，用于高效的气固反应，包括煤气化和矿石还原。然后，使用沉降器和上升器通过重力沉降分离合成气、铁水和炉渣。
在此过程中，高温煤气取代了新开发的闪速炼铁技术中昂贵的氢气。同时，矿石颗粒提供了部分氧化剂并减缓了强放热的煤气化。将矿石颗粒还原至精神状态几秒钟，最终得到直接还原铁（DRI）。由于传统长流程炼铁造成环境污染，耦合反应器由于去除了焦化和烧结，也避免了这一缺点。多联产工艺显示出提高材料/能源利用率和实现绿色生产的潜力。一些补充措施也是必要的，例如研磨、废气净化和沉降器分离。
天津闪速炼铁技术有限公司的“天闪炉”
天津闪速炼铁技术有限公司采用以设计为主导的研究，将闪速炼铁的实验环境转变为工艺设备，开发的“天闪炉”可以提供1873K、矿粉在空中漂浮时间超过3秒的冶金环境，拓展了闪速冶金技术应用的空间，建立了闪速炼钢的知识产权体系，奠定了闪速炼钢产业化的基础，为钢铁脱碳、能源脱碳的可持续发展开辟了一条新路。
“天闪炉”炉型如图1所示，由上部空间、下部空间、熔池、上升烟道四部分组成。上部空间用于加热进入其中的氢气，下部空间是还原熔炼空间，主要作用是还原熔炼铁矿粉。熔池的主要作用是造渣、渣铁分离及排渣出铁。烟气经上升烟道排出炉外。
“天闪炉”闪速炼钢过程如下：
上部空间生产高温的还原气体（加热还原气体），该还原气体可通过煤气化（C+O2）、甲烷弱氧化（CH4+1/2O2）、甲烷水蒸气重整（CH4+H2O)、甲烷二氧化碳重整（CH4+CO2)或直接使用纯氢气等方式获得。高温的还原气体连续产出、连续喷入下部空间，同时喷入铁矿粉，铁矿粉在向下飘落的过程中即完成了还原反应。
熔池中可以选择喷入与上部空间相同的还原剂，用于保持熔池所需的温度，继续还原在空间未被完全还原的铁氧化物。
在空间熔炼后的熔体落入炉内，在熔池完成造渣反应，并实现渣铁分离。得到的产品是钢水或高纯铁。
以氢气为原料的闪速炼钢工艺流程
在1000°C以上，H2的还原能力比CO强，且不会产生碳排放，更适用于闪速炼钢工艺。以氢气为原料的闪速炼钢工艺流程如图3所示，循环返回的氢气与从外部补充的氢气进入上部空间，在上部空间中被加热到熔炼所需的温度后，进入熔炼空间。与此同时，向下部空间中喷入铁矿粉。铁矿粉以极大的比表面积与高温氢气充分接触，传热和传质的速度极快，使铁矿粉迅速被熔炼还原为铁单质。空间熔炼后的产物进入熔池。在熔池中，铁矿粉中的脉石成分与加入的熔剂造渣，在熔体向排放口流动过程中，铁水熔渣沉淀分层，分别通过排渣口和排铁口排出炉外（渣口和铁口分置两瑞，是为了表达直观）。在此过程中，向熔池内喷入氢气及适量氧气，燃烧为熔池补充热量，同时使熔池形成还原环境，残余的铁氧化物在其中被彻底地还原。下部空间还原熔炼所产生的烟气经熔池上部的水平烟道进入上升烟道，与熔池熔炼后产生的烟气一起，经由上升烟道排出炉外，高温烟气主要成分为H2、H2O，进入高温换热器，换热降温后，经过烟气处理工段，得到纯净的氢气，经氢气柜缓冲后，送至高温换热器作为冷媒，换热升温后返回天闪炉的上部空间循环再利用。
闪速炼钢的低碳效益和经济效益分析
相比传统的长流程生产工艺，“天闪炉”闪速炼钢生产高纯铁，可以实现空气污染减少95%、能耗减少30%以上，碳排放减少30%至接近100%。热力学及动力学计算表明，以粉煤为原料的闪速炉炼钢工艺综合能耗和CO2排放比长流程炼钢工艺低30%以上。以氢气为原料的闪速炉炼钢工艺中，整个冶炼过程并无二氧化碳直接排放，工艺的碳排放仅为在熔池中允许喷入碳质体时产生的少量二氧化碳间接排放及氢气生产过程和电力生产过程的间接排放。如果保证了绿氢和绿电的供应，“天闪炉”的碳排放强度可以做到极低。
为与同类技术对比，以一年产48.6万吨的小型炉为例，对氢气天闪炉炼铁工艺流程进行热平衡和物料平衡及利润计算，其主要经济技术指标如表1所示，利润如表2所示。上表中单价为2020年9月中国某地的市场采购价格，仅供参考。计算结果显示，每生产一吨高纯铁，氢的消耗量是108.78kg，以高纯铁价格是5500元人民币/吨，绿氢的目标价格为15.68元/kg，减排的碳价参考国内试点碳市场均价约70元（人民币）/吨。以此测算，绿氢闪速炼铁工艺的盈利水平大于高炉炼铁工艺的盈利水平。从长远看，绿氢的价格呈逐渐下降的趋势，而随着“双碳”目标和全国碳市场的推进，碳价将逐步升高，届时，净零排放的闪速炼铁的竞争优势会越来越大。
闪速炼钢工艺的优势分析
在行业低碳转型的各个阶段，“天闪炉”都能发挥作用。在行业“碳达峰”阶段，建立以粉煤为原料的闪速炼钢系统，总投资和运行成本、综合能耗都低于传统的长流程企业，投资低，流程短，且降碳幅度可以满足钢铁企业实现碳达峰、降低碳排放强度的近期目标。到碳减排阶段，通过工艺流程的调整，将原料调整为氢气（灰氢—蓝氢—绿氢的过渡），可以实现碳排放的梯级下降，从减排35%提升至90%左右，实现钢铁行业低碳转型的中长期目标；在推进“碳中和”阶段，可以通过工艺流程的进一步优化，金属熔体环境来制造氢气，实现净零排放。
应用闪速炉的主要优点
应用风险可控：“天闪炉”上部空间是生产高温还原气体的核心设备，下部空间及熔池是一台标准的闪速炉，均为成熟级别的工业设备，应用风险可控，可以实现铁矿石到钢的一步熔炼。
闪速冶金适应变化的能力强：减排量的每一步升级，需要改动的设备很少，避免了投资的浪费。
产品性能强：“天闪炉”的主要产品是优质的高纯铁，经原料和工艺设备的优化，可以生产超纯铁或钢。
盈利水平高：“双碳”背景下，闪速炼钢工艺生产的绿色钢铁的盈利水平高于高炉炼铁工艺，随着绿色能源成本壁垒打破及碳价逐步市场化，“天闪炉”的成本优势将越来越明显。