氣基直接還原煉鐵，用還原氣體作還原劑還原鐵礦石的直接還原連續鑄鋼煉鐵法。第一個有工業生產意義的氣基直接還原法是1920年在瑞典建立的維伯爾直接還原法（WibergProcess）。雖然這種方法沒有大規模發展起來，但是卻為以後的豎爐直接還原法奠定了理論和工藝基礎。
基本介紹
- 中文名：氣基直接還原煉鐵
- 外文名：gas-based direct reduc-tion iron making
- 方法分類：移動床法，固定床法，流化床法等
- 套用：煉鐵
- 出現時間：1920年
- 學科：冶金工程
介紹,物化原理,
介紹
第一個有工業生產意義的氣基直接還原法是1920年在瑞典建立的維伯爾直接還原法（Wiberg Process）。雖然這種方法沒有大規模發展起來，但是卻為以後的豎爐直接還原法奠定了理論和工藝基礎。50年代同時起步開發的固定床法和流態化法，後來的發展出人意料，技術先進的流態化法歷經艱難，始終未形成成熟的工業生產，而工藝落後的固定床法卻發展成為生產力居第2位的直接還原法。60年代開發的以米德萊克斯（Midrex）法為代表的豎爐直接還原法，使用天然氣為一次能源，適應了當時石油工業大發展形勢，得以迅速發展。並由於技術先進而歷經兩次石油危機的考驗，持續發展成為最重要的直接還原法。
物化原理
直接還原法中使用的氣體還原劑是CO和H2，CH4由於析碳特性而不能直接套用。CO及H2還原氧化鐵的熱力學數據見表2。Fe2O3是不穩定的化合物，用CO或H2還原Fe2O3可在任何溫度下進行，甚至在1500℃下自動分解成Fe3O4及O2。可以認為Fe2O3的還原反應是不可逆的。Fe3O4與FeO是較穩定的化合物，還原反應在一定溫度下達到平衡。或者說需要比化學計量更多的煤氣量才能把還原反應進行到底，如按下式：
FeO+nCO→Fe+CO2+（N-1）CO
還原每摩爾FeO時，CO增加的比值n可用下式計算：
n=1+1/Ke
式中Ke為反應平衡常數，可自表2列出的公式中計算出。
直接還原法生產中，鐵礦石的還原速度因直接關係到生產率而更有實際意義。還原速度可根據理論模型計算分析，但比較複雜且不準確。一般情況下鐵礦石還原速度可用下列複合動力學控制模型加以描述：
（1）溫度。溫度能有效地促進還原反應。當鐵礦石的還原過程處於600～900℃溫度水平時，每升高100℃約使還原速度提高50%。
（2）煤氣成分。H2還原氧化鐵的速度比CO大6～10倍，增加還原煤氣中H2的比例有利於還原，但CO還原鐵礦石是放熱反應，H2還原鐵礦石是吸熱反應，過多的H2還原可使爐料溫度降低而阻礙還原。因此還原煤氣中H2/（H2+CO）比值為一定數值時（約為15%～30%）煤氣還原能力最強。N2則稀釋還原氣體濃度而降低還原速度。
（3）鐵礦石粒度。縮小鐵礦石粒度有利於還原反應加快進行，但粒度縮小到一定程度後，改善還原的效應就減少。如粒度過小（如<0.2mm），粒度促進還原的效果甚至消失。
分類
氣基直接還原法中還原氣體與固體爐料在不同運動形式下進行反應而構成各種工藝方法：移動床法，固定床法，流化床法和滾動床法。
移動床法
固體爐料自上向下靠自身重量移動，而煤氣自下向上與爐料形成逆流運動。這就是各種直接還原豎爐的基本工藝特點。在逆流移動床過程中高活力的新煤氣與活力低的爐料反應，而低活力的煤氣與高活力的爐料反應，煤氣能量得以充分利用。因此豎爐直接還原法具有高的能量利用效率。還原每噸金屬鐵能耗為12～13.5GJ；生產率高達10t/m3·d，產品金屬化率95%以上。但是移動床過程的操作溫度受到爐料黏結溫度的限制，一般只能在900℃以下操作，操作溫度過高將發生爐料黏結而影響爐料順利下降。氣基豎爐法是當前直接還原法的主要生產方法，已開發的氣基豎爐法有維伯爾法，阿姆科法，普羅費爾法，Nibon Steel法，米德萊克斯法等多種方法。但只有米德萊克斯法大量套用於生產。
固定床法
固體爐料固定不動，而煤氣在垂直爐料方向穿過料層。這種還原方式煤氣能量利用程度比逆流移動床要差，而且產品還原度不均勻。噸金屬鐵能耗為15～18GJ，生產率約3～4t/m3·d，產品金屬化率較低約為85%～90%。但此法工藝及設備均簡單易行，而且操作溫度不受鐵礦石粘結溫度的限制。因為可以在還原後停氣強迫卸料以克服爐料的粘結。由於操作溫度高達1100～1200℃，固定床法生產率不低，而產品含碳較高，約1%～2%。希爾法是這類方法的典型。
流化床法
煤氣在較高氣流速度下吹松爐料，使爐料處於似流體狀態下與煤氣反應。這種還原方式工藝技術較為複雜，生產指標也較差。但能直接利用細粒礦粉是其最大特點。流化床法曾實驗了多種方法，但只有菲奧爾（Fior）法形成實際生產能力。此法噸金屬鐵能耗為18～20kJ，生產率lt/m3，產品金屬化率85%。
滾動床法
鐵礦石爐料在迴轉窯內滾動前進，而煤氣自爐體燒嘴噴入，再加其他燃油或煤炭輔助能源的一種半氣基直接還原法，只有AccAR法在北美和印度套用過。此法已改為以煤為主要能源的迴轉爐法。
冶金還原煤氣
直接還原使用的煤氣要求還原性氣體成分高（CO+H2>60%），氧化性氣體成分低或煤氣氧化度η值小：
η=（CO2+H2O）/（CO+H2+CO2+H2O）
且煤氣碳氫化合物含量不能過高，如CH4<3%，因為碳氫化合物的析碳作用可使產品增碳並阻塞氣流順利通過爐料。煤氣中H2S含量<0.1%，因為高硫煤氣使產品增硫，並毒化煤氣轉化系統中的催化劑。
還原煤氣的製造
符合要求的煤氣在自然界中是不存在的，必須用人工製造符合要求的冶金還原煤氣。製取冶金還原煤氣的一次能源主要用天然氣，理論上也可以用其他燃氣、石油和煤炭，但由於經濟或技術原因而很少套用。表3為氣基直接還原法一次能源的典型成分，表4為用這些燃料制出的冶金還原煤氣成分。製造還原煤氣的過程就是把燃氣中的CH4轉化成H2和CO，因為煤氣轉化後在高溫狀態直接送入豎爐，因此要求高效率的保持化學計量比的轉化過程，以保持煤氣中CH4含量在限量以內。
還原煤氣需要量
煤氣在氣基直接還原法中有3個作用：還原劑、載熱體與爐料運動介質。氣基直接還原法需要的煤氣量與過程形式有關，移動床法與固定床法所需煤氣量，取決於熱量需要與還原需要兩者中較大的一項，流態化法取決於爐料運動的需要。
發展趨勢
由於受天然氣能源限制，氣基直接還原法只在有天然氣資源的國家和地區發展。為了進一步發展氣基直接還原法，有3個技術發展趨勢值得注意：（1）開發煤制氣的豎爐法。這是中國及其他一些缺乏天然氣資源而又需要廢鋼的地區開發研究的課題。已經有一些把豎爐法與水煤氣法、Kopper-Tozek氣化法、Lurge氣化法和電熱煤氣化法相配合的流程提出討論和進行了實驗。但都由於煤氣化工藝的缺陷及基建費用過高而未能成功。（2）節約煤氣能源消耗。儘可能減少煤氣能源消耗是現有直接還原豎爐的技術改革方向，希爾法（Ⅲ）豎爐通過煤氣轉化系統餘熱回收和CO2脫除的套用已把豎爐工序能耗降低到（10～12）×10kJ/t。（3）天然氣不轉化豎爐。天然氣轉化工序設備昂貴，轉化觸媒易被煤氣中的硫毒化失效，故轉化工序是以天然氣為能源的直接還原豎爐的嚴重負擔。研究不轉化天然氣豎爐是十分有意義的。委內瑞拉的AREX-SBD已做了成功的嘗試。
