劉獻東
自20世紀50年代以來，替代傳統煉鐵工藝的直接還原（DR）和熔融還原（SR）技術路線一直處于研發(fā)狀態(tài)，截至目前全球共探索出73個直接還原技術路線和59個熔融還原工藝路線上的不同技術，但是只有少數可以達到工業(yè)試驗或工業(yè)應用階段。
從熱化學和能源的角度上看，有“碳”“氫”“電能”3種不同維度的還原方式。
傳統的“碳基冶金”工藝（BF-BOF和SR）屬于“碳”維度的還原方式。伴隨著社會的發(fā)展，電能的使用程度不斷加深，冶金工藝也朝著“氫”和“電能”維度進化。在這兩種維度內包含直接還原工藝（DR），可將天然氣、氫氣，或者一氧化碳和氫氣的混合氣體等作為富氫還原性氣體，將金屬氧化物還原成金屬。
現代鋼鐵冶煉技術中，最常采用的是氫氣與一氧化碳的混合氣體。常規(guī)狀態(tài)下，采用焦炭作為還原劑，高爐爐氣中的氫氣含量可達到10%。采用COREX?、FINEX?等還原工藝時，氫氣含量最高可達30%。
直接還原技術以富氫氣體代替焦炭或煤等作為還原劑，可將高爐爐氣中的氫氣含量提高到60%~100%。目前主流的直接還原技術有基于豎爐的ENERGIRON?技術（氫氣含量可小于85%）和MIDREX?技術（氫氣含量可小于65%），以及基于流化床的FIOR/FINMET?技術和CIRCORED?技術（氫氣含量可高達100%）。但是，由于流化床工藝技術成本過高，當豎爐工藝商業(yè)化成熟后或將被淘汰。
將綠色氫基的直接還原技術作為氫冶金的主流技術路線已成為當前業(yè)內共識。基于碳中和的總體目標，與采用傳統高爐轉爐技術的噸鋼1.76噸碳排放量相比，采用綠色氫基直接還原技術的噸鋼碳排放量僅為0.15噸，減少85%以上的二氧化碳排放。
目前，共有3項正處于實驗室開發(fā)階段的潛在技術：電解冶金技術（Electrowinning）、熔融氧化物電解技術（MOE）、氫等離子體熔融還原技術（HPSR）。
一是電解冶金技術（Electrowinning）。
電解冶金技術（Electrowinning）是一項基于鐵礦石電解的突破性創(chuàng)新技術。與傳統的鋼鐵制造工藝相比，它將煉鋼與電化學工藝結合在一起，可直接從鐵礦石中分離鐵和氧。該技術使用的堿性溶液在電流作用下從惰性陽極流過，同時將溶液中的鐵顆粒沉積并還原到陰極上。該技術具有很高的靈活性，可由可再生能源提供電能，從而大大減少了能源消耗及碳排放（可減少87%的碳排放、31%的直接能源消耗）。安賽樂米塔爾通過12年的開發(fā)，已經將該項目的技術成熟度（TRL，Technology Readiness Level），提升到了TRL4。目前，安米正和歐洲11個研究機構一起合作，目標是將此項技術的商業(yè)化成熟度提升到TRL6。
二是熔融氧化物電解技術（MOE）。
熔融氧化物電解（MOE）是熔融鹽電解的一種形式，該技術用于生產鋁、鎂、鋰、鈉和稀土等金屬。其還原劑為電子，原料為精礦或純氧化物，電解質為熔融氧化物，溫度高達2000℃，產品為鐵和氧氣。其商業(yè)化成熟度范圍為TRL1~TRL2。
熔融氧化物電解技術（MOE）可以在實驗室規(guī)模上制造金屬。Antoine allanore、Jim Yurko和Donald R. Sadoway于2012年成立了波士頓電冶金公司（現稱為波士頓金屬公司）。據2013年《自然》雜志報道，波士頓金屬公司的Antoine Allanore、Lan Yin和Donald R. Sadoway證明了MOE技術可以通過使用合適的惰性陽極制造零碳排放的鋼鐵產品。該公司在美國能源部和國家科學基金會的資助下繼續(xù)創(chuàng)新，并將MOE技術拓展至鐵合金、鋼鐵和各種合金的制造。
三是氫等離子體熔融還原技術（HPSR）。
該項技術基于高溫下的氣體等離子體，分子氫被分解為原子氫或離子氫（H或H+），由于其具有比分子氫高得多的還原電位，可以將所有金屬氧化物還原為金屬。該項技術具有低排放、工藝流程簡單、渣量少等優(yōu)點，但仍然存在對爐壁的輻射較大（無泡沫渣過程）、渣對耐火材料的侵蝕性大等主要問題。因此，在氫等離子體熔融還原工藝的開發(fā)過程中，下部容器的耐火材料設計是研究該領域的核心技術之一。此外，氫氣的合理利用也尤為重要。一方面，由于等離子火焰輻射產生的高熱負荷和FeO高含量爐渣的化學侵蝕，氧化的耐火材料也會被未使用的氫還原；另一方面，由于部分氫氣會伴隨水蒸氣溢出，氫氣未能被全部用于還原鐵礦石。
根據奧地利萊奧本礦業(yè)大學的RHI研究中心的研發(fā)結果，耐火材料將在奧鋼聯Donawitz工廠的HPSR反應器中通過K1-MET進行測試。此外，通過底部吹掃系統注入氣體而產生的泡沫渣可保護襯里免受高熱沖擊。實驗室的反應器在放大到500千瓦~2兆瓦的功率水平時，可以評估電弧穩(wěn)定性、電弧情況和氫氣等離子體條件下的傳熱。電解系統的設計將檢驗可再生能源制氫的最新技術水平，并存儲所產生的氫氣、回收廢氣中未使用的氫氣。
《中國冶金報》（2021年2月19日 02版二版）
