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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
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。
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