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摘要：钢铁行业是工业中的主要CO₂排放部门，因此迫切需要在2050年之前实现向低碳的转型。实现转型的有效方法之一是使用氢气的直接还原法。目前，炼钢以竖炉直接还原法为主，但在该方法中，DR（Direct Reduction：直接还原）级团矿料（细粉矿）再送入竖炉前必须进行造粒。普锐特冶金技术公司开发了一种直接还原工艺“HYFOR（Hydrogen-based fine-ore reduction）”，不受此限制。该工艺使用氢气作为还原剂，且无需事先造粒，可直接使用细铁矿石（粒径小于150μm）。本文将对该工艺的开发情况进行介绍，包括已建成的中试设备以及未来扩大规模的可能性。

关键字：HYFOR工艺、直接还原法、钢铁脱碳、氢还原剂、绿色钢铁工艺

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前言

减少二氧化碳排放的经济和政治压力逐年增加，已成为许多钢铁制造商面临的挑战。被称为高炉/转炉法的钢铁联合工艺在过去几十年中不断发展和改进，是当今主要的粗钢生产方法。该工艺使用焦炭作为能源和还原剂，会排放大量的CO₂，但其也有以下优点：可以灵活处理各种品质的铁矿石，能够循环利用含铁副产品等。

竖炉直接还原（DR）法的下游工艺中设置有电弧炉（EAF：Electric Arc Furnace），该炉中的熔融需要DR级团矿料作为原料。此外，钢铁联合工艺和竖炉直接还原法都需要装入块状原料来确保炉内足够的透气性，因此，将原料加工成烧结矿或球团矿的附加成块（造粒）工艺必不可少。这不仅会增加CAPEX（Capital Expenditure）和OPEX（Operating Expenditure）等成本，还会导致二氧化碳排放量大幅增加。

为了解决这些问题，普锐特冶金技术公司正致力于开发基于流化床技术的HYFOR工艺。该工艺仅使用绿氢或低碳氢作为还原剂，不会排放二氧化碳，并且可以直接使用粉矿而无需事先造粒。

迄今为止，尚不存在可直接加工团矿料作为主要铁源而无需事先造粒的技术。虽然来自矿山的铁矿石品质（铁含量和粒度）持续下降，但仍有大量粉矿可供使用。HYFOR工艺是唯一可以直接加工最大粒径小于150μm的各种细粉矿而无需造粒的工艺，可加工从高品位到低品位的各种铁矿石（赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿等）。该工艺的基本原理是利用由还原气体和待还原原料产生的对流。通过在以粉矿为原料的流化床技术中使用氢气作为还原剂，可以进行有利于流化行为的低温还原，并能够以适当的还原速率实现高气体利用率。

普锐特冶金技术公司在直接还原、熔融还原和流化床解决方案（Finored直接还原工艺、FINEX®预还原工艺）领域拥有多年经验。基于这些技术能力，开发出最灵活且碳排放量最低的直接还原技术——HYFOR工艺。

以下，将对HYFOR工艺的开发进行详细介绍。

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HYFOR–从实验室规模测试到中试设备测试

2016年，首个基于HYFOR技术的实验室规模研究在莱奥本矿业大学钢铁冶金系还原实验室启动。研究中使用了各种流化床炉。

为了研究粉矿原料的一般流化行为，在静态流化床反应器中进行了一系列冷流化试验。除了对流动状态下的原料进行可视观察之外，还通过安装各种压力测量仪器验证了不同类型粉矿的流化行为。此外，基于在冷流化试验中获得的数据，在静态流化床中进行了热还原试验。这些热还原试验使用纯氢作为流化气体和还原气体，以研究各种品牌的铁矿石的流化行为和还原性。通过研究反应器内的气体空塔速度、还原温度或装入样品重量（通常在5~7.5kg之间）等工艺参数，以确定HYFOR中试设备的设计标准中使用的原料的运行范围。

实验室规模测试的结果表明，通过将氢气作为还原剂与粉矿原料结合使用，即使还原温度较低，也可以达到较高的气体利用率。由于还原温度较低，即使在金属化率较高的情况下也能实现稳定的流化。

实验室规模测试在取得初步成功后继续进行。由于铁矿石在流化行为和还原性方面可能表现出不同的特性，因此所有新使用的铁矿石都将首先通过实验室规模测试，以确认其是否适合HYFOR工艺。

根据在所有实验室规模测试中获得的有效结果，决定于2018年启动HYFOR中试设备的设计和工程建造。中试设备用作测试设备，用以验证在实验室规模测试中获得的结果，并积累用于未来商业设备的基础数据。该中试设备于2020年下半年启动了安装工程，2021年上半年启动了冷态试运行和热态试运行。

图1示出中试设备的流程示意图。在该设备的测试中，供原料通过的路径有两条。

第一条是在还原之前预热原料的路径。在这一阶段，将原料直接从原料瓶装入热风炉的烟道气流中，并输送至旋风分离器。在旋风分离器中，原料从气流中分离出来，然后通过空气输送回原料瓶中。在该设备中，原料可以在系统中多次循环，以便在还原开始之前达到所需的原料温度。来自旋风分离器的废气随后通过洗涤器和除雾器冷却和净化，并排放到大气中。

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图1 HYFOR中试设备的流程示意图

当使用磁铁矿基铁矿石时，在原料预热期间也会进行氧化反应。氧化反应的放热特性有助于原料预热，并且可以降低预热的一次能源消耗。而且，从原料的还原性方面来看也具有优点。一般来说，磁铁矿的还原性较差，但通过预氧化，在还原时会产生不同的形态变化，从而提高还原速度，即还原性。

由于还原过程中的气体与固体的逆流，以及氧化铁和氢气还原反应的吸热特性，HYFOR工艺通常需要对原料进行单独预热。

原料预热完毕后进行还原。即，将原料从原料瓶装入HYFOR反应器中。反应器本身的横截面积小于1m²。原料从反应器的一侧装入。在反应器的另一侧设有堰，以确保指定的流化床高度，从而确保停留时间。该停留时间可以调整。超过堰的原料通过空气运输返回原料瓶，再重新装入还原反应器中，从而确保实现目标金属化率所需的总还原时间。

还原所需的氢气在进入反应器之前首先被加热器预热。为了在反应器内实现均匀的气体分布，对气体分配器进行了适当设计，从而在设备意外停工期间，避免固体回流到风箱。原料经流化和还原后，含尘废气排出反应器，进行二次燃烧，再通过干式除尘器后排放到大气中。在应用于商业设备时，应考虑未使用的氢气的再循环。分离后的粉尘被重新投入反应器，以提高工艺的收率。在还原和最终取样之后，所有原料被重新收集在原料瓶中并排放到冷却器。

2021年年中启动试运行后，进行了第一次测试，主要目的是测试设备本身并确立最佳测试程序，同时也进行了相应的改造和改良。

在对设备进行改良后，2022年的重点是测试各种铁矿石以验证该技术的商业化可行性。基于各种测试对以下四个课题进行探讨：

第一、达到预定金属化率所需的停留时间；

第二、取决于气体空塔速度和反应器压力的气体消耗量和/或气体利用率；

第三、防止细粉粘附在气体分配器中的最佳还原气体入口温度；

第四、各种氧化处理对使用磁铁矿基原料时的还原速度、即还原性的影响。

通过适当地实施中试设备中的一系列测试，解决上述课题，便可以决定扩大商业规模原型。

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迈出下一步–HYFOR商业规模原型设备

商业规模原型设备被定义为中试设备和能够以每小时约5至15吨的生产能力连续运行的商业设备之间的中间阶段。图2示出HYFOR商业规模原型设备的流程示意图。

在串联的多级旋风分离器中进行原料的预热（和氧化）。通过高温气体发生器提高预热所需的能量，该发生器燃烧来自气体循环路径的含氢废气。预热后的原料在装入第一级还原反应器之前先装入起缓冲作用的瓶子中。几个反应器连续配置以供还原反应进行，确保了足够的停留时间。向各个反应器注入清洁的还原气体。所有反应器的废气都通过干式除尘器，以将粉尘与气体分离。粉尘被送回还原反应器中以实现高收率。

根据所用铁矿石的品质，可以应用于各种最终产品。当以含铁量高的高品位铁矿石为原料时，最终产品可制成压块并处理为HBI（Hot Briquetted Iron），可以供应给各种炼钢设备，或将最终产品热装入电弧炉内；由含铁量低的低品位铁矿石制成的HDRI（Hot Direct Reduced Iron）可直接装入电熔炉内（Smelter）。这是HYFOR工艺的最大优点之一，显示出在使用各种铁矿石品位方面的灵活性。

从反应器排出的废气在通过干式除尘器后，经过热交换器和冷却器去除还原过程中产生的水蒸气。未反应的氢经由循环器、热交换器和还原气体反应器进行再利用。还原煤气炉使用电能。通过在热交换器之前将补充氢气添加到工艺线中来补偿还原所消耗的氢气。根据铁矿石的品质不同，1吨DRI大约需要550~600Nm³的氢。这些设备结构使得设备能够完全连续运行，并且可以在室温下由粉矿制造最终产品。

该商业规模原型设备的运营将根据中试设备测试的进展和主要客户的意愿而决定，最早可能会在2025年之前启动。

HYFOR工艺的优点如下：

•可直接使用粉矿而无需事先造粒

•使用绿氢或低碳氢作为还原剂，在还原过程中不会产生CO₂

•可灵活使用各种铁矿石（赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿等）

•使用干式除尘器进行粉尘回收，铁收率高

•铁收率高且无需造粒设备，能源消耗少

•还原温度低，防止细粉粘连，设备运行率高

不仅是传统的钢铁制造商，考虑生产HBI和生铁（PI：Pig Iron）作为增值产品的矿业公司都可以成为HYFOR技术的潜在客户。

HYFOR工艺大大有助于钢铁行业的能源转换和脱碳，打造绿色钢铁工艺。

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图2 HYFOR商业规模原型工厂–流程示意图

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结语

钢铁行业的脱碳需要利用基于氢经济的新型创新工艺技术。普锐特冶金技术公司在直接还原和熔融还原领域拥有悠久历史和广泛的投资组合，包括利用流化床技术的解决方案。目前，正在开发无需预处理即可用氢气还原粉矿的新一代直接还原工艺“HYFOR（Hydrogen-based fine ore reduction）”。

2021年，根据实验室规模测试获得的工艺数据，建立了中试设备并进行了试运行。中试设备用作收集各种品位铁矿石的工艺数据的测试设备，其中收集的数据用于扩大商业规模原型设备。根据获得的结果，商业规模原型设备最早将于在2025年之前投入运营。

钢铁脱碳 | 氢基粉矿还原（HYFOR）