劉獻(xiàn)東
自20世紀(jì)50年代以來，替代傳統(tǒng)煉鐵工藝的直接還原（DR）和熔融還原（SR）技術(shù)路線一直處于研發(fā)狀態(tài)，截至目前全球共探索出73個(gè)直接還原技術(shù)路線和59個(gè)熔融還原工藝路線上的不同技術(shù)，但是只有少數(shù)可以達(dá)到工業(yè)試驗(yàn)或工業(yè)應(yīng)用階段。
從熱化學(xué)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(tǒng)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(huì)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(jìn)化。在這兩種維度內(nèi)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(xiàn)代鋼鐵冶煉技術(shù)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(dá)到10%。采用COREX?、FINEX?等還原工藝時(shí)，氫氣含量最高可達(dá)30%。
直接還原技術(shù)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(shù)有基于豎爐的ENERGIRON?技術(shù)（氫氣含量可小于85%）和MIDREX?技術(shù)（氫氣含量可小于65%），以及基于流化床的FIOR/FINMET?技術(shù)和CIRCORED?技術(shù)（氫氣含量可高達(dá)100%）。但是，由于流化床工藝技術(shù)成本過高，當(dāng)豎爐工藝商業(yè)化成熟后或?qū)⒈惶蕴?/p>
將綠色氫基的直接還原技術(shù)作為氫冶金的主流技術(shù)路線已成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)共識(shí)。基于碳中和的總體目標(biāo)，與采用傳統(tǒng)高爐轉(zhuǎn)爐技術(shù)的噸鋼1.76噸碳排放量相比，采用綠色氫基直接還原技術(shù)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(xiàng)正處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段的潛在技術(shù)：電解冶金技術(shù)（Electrowinning）、熔融氧化物電解技術(shù)（MOE）、氫等離子體熔融還原技術(shù)（HPSR）。
一是電解冶金技術(shù)（Electrowinning）。
電解冶金技術(shù)（Electrowinning）是一項(xiàng)基于鐵礦石電解的突破性創(chuàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)的鋼鐵制造工藝相比，它將煉鋼與電化學(xué)工藝結(jié)合在一起，可直接從鐵礦石中分離鐵和氧。該技術(shù)使用的堿性溶液在電流作用下從惰性陽極流過，同時(shí)將溶液中的鐵顆粒沉積并還原到陰極上。該技術(shù)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(jīng)將該項(xiàng)目的技術(shù)成熟度（TRL，Technology Readiness Level），提升到了TRL4。目前，安米正和歐洲11個(gè)研究機(jī)構(gòu)一起合作，目標(biāo)是將此項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化成熟度提升到TRL6。
二是熔融氧化物電解技術(shù)（MOE）。
熔融氧化物電解（MOE）是熔融鹽電解的一種形式，該技術(shù)用于生產(chǎn)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(zhì)為熔融氧化物，溫度高達(dá)2000℃，產(chǎn)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(shù)（MOE）可以在實(shí)驗(yàn)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(xiàn)稱為波士頓金屬公司）。據(jù)2013年《自然》雜志報(bào)道，波士頓金屬公司的Antoine Allanore、Lan Yin和Donald R. Sadoway證明了MOE技術(shù)可以通過使用合適的惰性陽極制造零碳排放的鋼鐵產(chǎn)品。該公司在美國能源部和國家科學(xué)基金會(huì)的資助下繼續(xù)創(chuàng)新，并將MOE技術(shù)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(shù)（HPSR）。
該項(xiàng)技術(shù)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(xiàng)技術(shù)具有低排放、工藝流程簡單、渣量少等優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在對(duì)爐壁的輻射較大（無泡沫渣過程）、渣對(duì)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(shè)計(jì)是研究該領(lǐng)域的核心技術(shù)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(chǎn)生的高熱負(fù)荷和FeO高含量爐渣的化學(xué)侵蝕，氧化的耐火材料也會(huì)被未使用的氫還原；另一方面，由于部分氫氣會(huì)伴隨水蒸氣溢出，氫氣未能被全部用于還原鐵礦石。
根據(jù)奧地利萊奧本礦業(yè)大學(xué)的RHI研究中心的研發(fā)結(jié)果，耐火材料將在奧鋼聯(lián)Donawitz工廠的HPSR反應(yīng)器中通過K1-MET進(jìn)行測試。此外，通過底部吹掃系統(tǒng)注入氣體而產(chǎn)生的泡沫渣可保護(hù)襯里免受高熱沖擊。實(shí)驗(yàn)室的反應(yīng)器在放大到500千瓦~2兆瓦的功率水平時(shí)，可以評(píng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)將檢驗(yàn)可再生能源制氫的最新技術(shù)水平，并存儲(chǔ)所產(chǎn)生的氫氣、回收廢氣中未使用的氫氣。
