摘要

全面控制溫室氣體排放和應(yīng)對氣候變化是世界各國關(guān)注的問題世界保護活著的家園。鋼鐵行業(yè)占全球二氧化碳排放量的10%以上排放量，約其中80%的排放來自煉鐵過程。高爐（BF）和非高爐煉鐵工藝，減少排放。流化床技術(shù)已成為一種關(guān)鍵的使用方法在非高爐煉鐵中加工鐵粉，如熔融還原和直接還原。

本文介紹了流化床（FB）技術(shù)的工作原理和幾種典型工作狀態(tài)，闡明了流化床技術(shù)的關(guān)鍵流化床工藝操作。并對近幾十年來不同類型的流化床煉鐵工藝進行了比較，包括FIOR、DIOS、Circured、Circufer、FINMET、HIsmelt、FINEX等。

最后，本文提出了在實際應(yīng)用中可能存在的問題及解決方法分析了流化床煉鐵的發(fā)展前景。希望這項工作能夠為基礎(chǔ)教育的進步做出貢獻流化床還原的理論和技術(shù)研究，為鋼鐵工業(yè)的氫冶金提供支持。

介紹

截至2021年，全球粗鋼產(chǎn)量已超過19億噸，其中BF+BOF（堿性氧氣爐）和BF+EAF（電弧爐）工藝是主要的生產(chǎn)方法。燒結(jié)和煉焦過程占鋼鐵生產(chǎn)中污染物和二氧化碳排放量的70%以上。

同時，對優(yōu)質(zhì)鐵礦石的日益依賴和焦煤資源的枯竭也是高爐煉鐵連續(xù)生產(chǎn)的限制條件[1,2]。在傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝中，燒結(jié)和煉焦是對環(huán)境污染極大的生產(chǎn)工藝。燒結(jié)高溫廢氣排放量超過6000 m3/t，燒結(jié)粉塵、SO2和NOx的排放量占煉鋼總排放量的60%以上。而煙塵排放

焦炭生產(chǎn)中的二氧化碳排放量也占總排放量的30%以上。焦化廠排放的SO2、氨、苯、苯并芘和其他有毒物質(zhì)是鋼鐵生產(chǎn)過程中最大的污染源[3,4]。碳稅在控制溫室氣體排放方面發(fā)揮了重要作用。高爐煉鐵的二氧化碳排放量占總排放量的80%以上鋼鐵工業(yè)。因此，控制高爐煉鐵的二氧化碳排放可以有效緩解整個鋼鐵行業(yè)的二氧化碳問題[5]。

為了擺脫焦煤資源短缺的束縛，減少二氧化碳和其他污染物的排放，無需燒結(jié)和煉焦的非高爐煉鐵技術(shù)已成為鋼鐵行業(yè)的研究熱點[6,7]。煉鐵生產(chǎn)完全擺脫冶金焦是非高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的根本動力。世界各國都在進行實驗研究，非高爐煉鐵工藝是鋼鐵工業(yè)技術(shù)革命尋求新突破的舉措?，F(xiàn)有煉鐵工藝主要包括高爐、熔融還原（SR）和直接還原（DR），如圖1[8]所示。非高爐工藝因其缺乏煉焦煤而受到廣泛關(guān)注，避免了煉焦過程造成的環(huán)境污染。

2022年，全球直接還原的鐵產(chǎn)量預(yù)計將達(dá)到1.247億噸，增長4.5%。現(xiàn)有的直接還原煉鐵技術(shù)包括豎爐、回轉(zhuǎn)窯和流化床。圖2和圖3描述了SR和DR煉鐵的分類和過程。

目前，低溫快速還原新工藝得到了社會各界的支持。

基礎(chǔ)理論研究工作基本完成。目前正在進行反應(yīng)器和技術(shù)優(yōu)化研究，有望成為新一代煉鐵工藝。各種基于氣體的還原工藝可以在較低的溫度下生產(chǎn)海綿鐵或熱壓塊，豎爐工藝比流化床工藝更成熟。所以，豎爐工藝天然氣還原過程仍占主導(dǎo)地位，天然氣資源受到一定的資源約束。轉(zhuǎn)底爐工藝可以使用低強度含碳球團為煤基直接還原工藝注入新的活力，但其能耗高、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差將制約其發(fā)展[9]。

在過去的二十年里，基于流化床技術(shù)的新煉鐵工藝得到了發(fā)展[10]。

隨著高品位鐵礦石資源的減少和價格的上漲，細(xì)礦已達(dá)到80%[11]。為了滿足煉鐵的品位要求，必須經(jīng)過精細(xì)研磨和礦物加工才能生產(chǎn)出細(xì)鐵精礦。

在高爐冶煉過程中，礦石中幾乎所有的磷都進入鐵水，鐵水的脫磷和煉鋼的一般過程也非常困難[12,13]。在流態(tài)化氣體還原過程中，由于還原反應(yīng)溫度低得多，礦石中的磷酸鈣不能被還原成鐵相。

這些技術(shù)的主要優(yōu)點是細(xì)礦石可以直接用于工藝。復(fù)雜的共生礦產(chǎn)資源可以合理利用。并且可以避免燒結(jié)或造粒等先前處理，這是既定工藝所必需的。

流化床直接還原法是一種利用氣體穿過流化床中的顆粒固體層，使固體顆粒處于懸浮運動狀態(tài)（流化）并完成氣固還原反應(yīng)的方法。20世紀(jì)40年代，通過使用石油催化裂化，現(xiàn)代流化床反應(yīng)技術(shù)得以開創(chuàng)[14]。自從流化技術(shù)引入煉鐵行業(yè)以來，已經(jīng)開發(fā)了許多流化煉鐵工藝，包括H-IRON、NOVALFER、Nu IRON、HIB、DIOS、FIOR、FINMET、HIsmelt、FINEX、Circored和Circofer工藝。

然而，只有HIsmelt、FINEX、FINMET和Circored已用于工業(yè)生產(chǎn)[14,15]。

本文將首先介紹流化床的起源和發(fā)展過程。詳細(xì)介紹了流化床的工藝原理和分類，重點介紹了流化床工藝的幾個重要特點。

還將討論流化床過程中可能存在的問題和解決方案。最后，對流化床煉鐵技術(shù)的發(fā)展方向進行了展望。

流化床反應(yīng)器的原理和分類流化床反應(yīng)器使用氣體或液體穿過顆粒固體層，當(dāng)固體顆粒懸浮運動時，將進行氣固或液固反應(yīng)過程。流化技術(shù)可以將固體散裝材料懸浮在運動的流體中，從而消除斷開顆粒之間的內(nèi)摩擦[16]。這個

固體顆粒具有一般流體的特性，具有良好的物理和化學(xué)條件。流態(tài)化技術(shù)具有許多冶金功能，包括鐵礦粉的磁化焙燒、粉末鐵礦石的預(yù)熱和低預(yù)還原以及直接還原鐵的生產(chǎn)[17]。

流化床工藝原理(略）

流化床的常見類型

圖5顯示了不同流體作用下流化床的示意性分類[19-21]。詳細(xì)介紹如下：

1） 固定床。當(dāng)流速較低時，床顆粒保持靜止，孔隙率基本保持恒定，稱為固定床。固定床中顆粒與流體之間的摩擦力隨著流速的增加而增加。床層的壓降（△P）與空塔的流速（a）近似成正比。

2） 臨界流化床。當(dāng)a達(dá)到由流體和顆粒的性質(zhì)決定的相對確定的值w時，流體和顆粒之間的摩擦恰好等于顆粒的質(zhì)量。這是固定床和流化床之間的分界點，稱為臨界流化床。

3） 均相流化床。當(dāng)a繼續(xù)增加時，材料層的孔隙率增加，高度也相應(yīng)增加?？紫堵实脑黾悠胶饬丝账的增加，使實際a基本保持不變。所以，摩擦力基本上不受空塔的影響?！鱌相對穩(wěn)定且不變，稱為流化床。使用液體流化介質(zhì)形成的流化床相對均勻，沒有明顯的鼓泡現(xiàn)象，稱為均相流化床。

4） 鼓泡流化床。使用氣體流化介質(zhì)形成的流化床有很大不同，特別是床層的不均勻性和不穩(wěn)定性。在材料層中可以觀察到明顯的起泡和開槽現(xiàn)象。顆粒運動比均勻流化床活躍得多，床的膨脹率也不那么顯著，稱為鼓泡流化床。

5） 騰谷床。如果在生長過程中氣泡直徑可以超過流化床的直徑，床層將被氣泡截斷，形成喘振現(xiàn)象。喘振發(fā)生在高流速條件下，僅發(fā)生在氣固流化床中。

6） 上述流化床中的顆粒密度相對較高，統(tǒng)稱為密相流化床。密相流化床的特點是床層中有一個清晰的上界面。

7） 稀釋流化床。如果a進一步增加到流體和顆粒之間的摩擦大于顆粒質(zhì)量的程度，顆粒將被流體帶走，形成夾帶。夾帶使床層的上界面消失，顆粒密度降低。這種床被稱為稀流化床，它可以使用氣體或液體流化介質(zhì)。

不同類型的發(fā)展與比較

FIOR工藝

美國?？松梨诠境晒﹂_發(fā)了FIOR（流體鐵礦石還原），如圖7所示[29-31]。1976年，委內(nèi)瑞拉奧爾達(dá)斯港建造了一座年產(chǎn)能40萬噸的工業(yè)工廠。1983年，F(xiàn)IOR的鐵海綿產(chǎn)量占總產(chǎn)量的4.3%。粒徑小于5mm的鐵礦石粉依次通過4個流化床反應(yīng)器。在第一階段，礦粉通過天然氣或煤氣預(yù)熱至760°C，在那里發(fā)生高溫氣體的還原反應(yīng)[30,32]。礦石中的水分和大部分硫也被去除，并與廢氣一起排放[33]。

其他流化床反應(yīng)器的還原溫度為690~780°C。還原產(chǎn)物的金屬化率可達(dá)92%，然后壓制成塊。通過重整天然氣和水蒸氣，可以獲得用于流化的還原氣體，其中氫氣含量超過90%。凈化后的循環(huán)氣與重整天然氣在四級流化反應(yīng)器中混合，然后進入第三級。用于FIOR的礦石應(yīng)含有少于5%的脈石。為防止粘結(jié)現(xiàn)象，實際操作中粒徑小于0.043mm的粉末不應(yīng)高于20%[34,35]。

DIOS工藝

20世紀(jì)80年代初，日本開發(fā)了一種名為DIOS的熔融還原煉鐵工藝，如圖8所示?；谵D(zhuǎn)換器接口發(fā)電（CIG）方法的發(fā)展，進行了深入的研究，包括新的CIG方法的基本概念

熔融還原過程、鐵浴爐中的高熱效率和二次燃燒率以及預(yù)還原流化床中的氣體還原行為。整個裝置由使用復(fù)合流化床的預(yù)還原爐和熔融氣化器組成[36]。

與高爐煉鐵工藝相比，DIOS工藝?yán)碚撋峡梢怨?jié)省約10%的生產(chǎn)成本，因為可以使用各種非煉焦煤。鐵礦石的大部分還原是在高溫熔爐中進行的[36,37]。反應(yīng)溫度高，鐵粒徑小，還原速率快。二次燃燒率可達(dá)30%~60%，二次燃燒的傳熱效率也很高[38,39]。由于最終還原爐的爐襯壽命較短，因此采用了厚渣層操作。由于二次燃燒率高，爐渣中高FeO的金屬回收率和脫硫能力也存在問題。此外，當(dāng)流化床用作預(yù)還原時，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性仍需解決[40,41]。

Circored工藝

美卓Metso Outotec的直接(熔融）還原工藝介紹

20世紀(jì)90年代初，魯奇公司開發(fā)了基于氣體的Circored工藝，使用天然氣重整產(chǎn)生的H2作為還原劑，如圖9[42]所示。初始還原階段反應(yīng)迅速，H2向鐵礦石的傳質(zhì)是控制步驟。循環(huán)流化床（CFB）作為一種理想的反應(yīng)器，可以獲得65%~85%的預(yù)還原率。礦石在進入初級CFB之前，在另一個FB中預(yù)熱并燒結(jié)至850~900°C。

H2作為單一還原劑具有較高的還原潛力，二級流化床中的還原溫度為630~650°C，易于控制[43]。由于反應(yīng)溫度低，避免了還原過程中細(xì)粒礦石的結(jié)合，H還原有利于降低結(jié)合。在最終的FB還原反應(yīng)器中，最高還原溫度約為650°C。由于還原溫度低和反應(yīng)動力學(xué)條件差，操作壓力為4atm，以減少裝置的投資。

Circored工藝使用純H2還原粒徑小于1毫米的鐵礦石，在650°C下還原鐵礦石粉15分鐘的還原率可達(dá)70%[44]。為了提高整個生產(chǎn)過程的效率，需要對CFB中的鐵礦粉進行4小時的H2還原，以實現(xiàn)95%的金屬化率。但它必須解決廉價氫氣的問題，使用普通流化床時粉末的結(jié)合問題仍然存在。

Circofer 工藝

采用循環(huán)流化床Circofer工藝，作為魯奇固相直接煉鐵工藝的主要反應(yīng)器，具有巨大的競爭潛力。它可以直接使用廉價的細(xì)礦石和煤炭，無需預(yù)處理，由于能量閉路系統(tǒng)，一次能耗相對較低。由于單位產(chǎn)能大，投資低[45]。如圖10所示，兩級預(yù)熱系統(tǒng)和兩級反應(yīng)器的配置實現(xiàn)了最佳的氣體利用和過程控制。為了確保最佳的氣體利用率，從而實現(xiàn)最低的能耗，使用了氣固兩相流的反向運動，這允許將含塵氣流作為二次氣體引入反應(yīng)器[46]。

煤氣化和還原反應(yīng)器中的礦石還原是分開進行的。由于天然氣利用率高，可以避免生產(chǎn)中多余天然氣的排放。過量的碳和較高的空氣速度使材料顆粒具有較高的動能，從而可以防止結(jié)合。高氣體轉(zhuǎn)化率和工藝氣體循環(huán)避免了過量氣體排放[47]。

FINMET流程

1991年，VAI和埃克森美孚在FIOR的基礎(chǔ)上聯(lián)合開發(fā)了FINMET工藝，該工藝使用小于12mm的礦粉和四級流化床反應(yīng)器，如圖11[48,49]所示。一級流化床的溫度為500°C，壓力為1.1MPa，末級流化床的溫度和壓力分別為800°C和1.4MPa。熱直接還原鐵粉通過氣流傳遞到熱壓系統(tǒng)，直接獲得HBI。用于還原的氣體由新產(chǎn)生的氣體和循環(huán)氣體組成。除塵后，循環(huán)氣體與新氣體混合。

去除二氧化碳后，將其預(yù)熱至850℃，然后送入反應(yīng)器。FINMET是目前生產(chǎn)的第一種細(xì)粒礦石直接還原技術(shù)。雖然FINMET工藝仍有一些缺點，但只能在天然氣價格較低的地區(qū)推廣，無法加工大量低品位鐵礦石。FINMET采用普通流化床工藝（FB），氣體流速慢，生產(chǎn)能力低（1.5~2t/（m3·d）），容易發(fā)生粘結(jié)。而高壓操作的使用對設(shè)備和操作要求很高，使得該工藝的進一步推廣變得困難[50]。

HIsmelt工藝

簡單說說HIsarna 前世今生和來龍去脈CCF+Hismelt

HIsmelt技術(shù)由德國Klockner和CRA聯(lián)合開發(fā)，如圖12[51]所示。細(xì)礦石可以直接用煤粉冶煉。細(xì)礦石和煤粉可以噴入鐵浴爐熔池。從頂部吹出的1200°C富氧空氣可以使煤二次燃燒，產(chǎn)生的熱量可以滿足熔池反應(yīng)的需要。來自最終還原爐的氣體可以作為預(yù)還原系統(tǒng)的還原劑。煤粉和細(xì)礦石以高動能吹入熔池，引起強烈混合。鐵礦粉可以通過快速傳質(zhì)和高溫快速還原，使HIsmelt能夠加工廉價的高磷鐵礦石。

由于二次燃燒率高，高溫廢氣的利用價值很低，只能用于預(yù)熱細(xì)粒礦石。為了充分利用廢氣，HIsmelts計劃摻入天然氣。這將使廢氣可用于鐵礦粉的預(yù)還原，還原率低于30%。爐子的氧化氣氛會導(dǎo)致密封件嚴(yán)重腐蝕，從而導(dǎo)致氣體使用效率低下。此外，HIsmelt使用虹吸鐵的方法無法保證鐵水的溫度。[52].

FINEX工藝

2007年，浦項制鐵和奧鋼聯(lián)聯(lián)合開發(fā)了1~10毫米細(xì)粒礦石的FINEX工藝，使用多級流化床反應(yīng)器代替COREX的豎爐（8~30毫米的塊礦）還原鐵礦石，如圖13[53]所示。FINEX工藝是流化床工藝和COREX熔融氣化爐工藝的結(jié)合，其中熔融氣化爐提供的熱還原氣體用于流化床反應(yīng)器中，用添加劑還原鐵粉礦石。鐵礦粉和普通煤是生產(chǎn)鐵的原料的可行選擇，這可以降低設(shè)備費用和煉焦和燒結(jié)廠造成的環(huán)境危害。

FINEX解決方案需要更高的固定和投資成本，比BF解決方案的投資成本高出約20%。為了降低FINEX的燃料成本，有必要進一步降低煤炭消耗。然而，使用流化床工藝可能會導(dǎo)致1-10mm粉末的粘合問題，操作率低于80%。雖然FINEX具有用更豐富的普通煤代替焦煤的優(yōu)點，但與豎爐相比，其流化反應(yīng)器的還原效率較低。FINEX的金屬化率僅為80%至85%，這增加了熔融氣化爐的還原負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致每噸生鐵的煤耗高于高爐。

鞍鋼氫氣流化床工藝

鞍鋼與中國的幾家研究機構(gòu)合作，開發(fā)了一個使用綠色氫氣流化床技術(shù)高效生產(chǎn)鐵的示范項目。低碳冶金技術(shù)的這一突破是在2021年7月實現(xiàn)的，如圖14[55]所示。此外，采用國際先進的流化床氫氣直接還原煉鐵技術(shù)，提高了原料的適用性和還原效率，實現(xiàn)了高金屬化率的直接還原鐵的高效連續(xù)生產(chǎn)。該項目預(yù)計將于2023年投入運營，形成1萬噸綠色氫流化床煉鐵示范項目。

該工藝優(yōu)化了鐵精礦原料顆粒的設(shè)計修改，并采用了兩級加壓流化床還原、余熱回收等關(guān)鍵技術(shù)。核心工藝設(shè)備的開發(fā)和設(shè)計使原材料的適用性廣、效率高、節(jié)能。此外，這種純氫流化床解決了兩個流化床中常見的粉碎和結(jié)合問題。高效水電解技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是流化床氫冶金的技術(shù)基礎(chǔ)。

補充：類似流化床氫冶金工藝

HYFOR – 氫基粉礦直接還原熔煉工藝

圖 1 給出了中試裝置的示意性流程圖。原則上，該布局允許材料在整個實驗過程中通過兩種可能的方式。第一個是在還原之前預(yù)熱材料期間執(zhí)行的。在此階段，材料直接從材料倉裝入熱氣發(fā)生器（空氣加熱器）的煙道氣流中并輸送至旋風(fēng)分離器。在旋風(fēng)分離器中，材料從氣流中分離出來，隨后材料被氣動輸送回材料倉。這種布置允許在系統(tǒng)內(nèi)多次循環(huán)材料，以在開始還原階段之前達(dá)到所需的材料溫度。旋風(fēng)分離器的廢氣隨后經(jīng)過洗滌器和除霧器進行冷卻和清潔，然后排放到大氣中。

在使用基于磁鐵礦的鐵礦石的情況下，在材料預(yù)熱期間另外發(fā)生氧化。氧化反應(yīng)的放熱特性是有益的，因為它支持材料的預(yù)熱，因此降低了鐵礦石加熱的主要能耗。另一個優(yōu)點是材料的還原性。一般來說，磁鐵礦的還原行為較差。預(yù)先的氧化會導(dǎo)致還原過程中不同的形態(tài)變化，從而提高還原率，從而提高還原性(5)。

韓國浦項HYREX：氫還原電熔煉鐵技術(shù)

01 通過流化床反應(yīng)器還原

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流化床煉鐵技術(shù)綜述

技術(shù)進步在以下幾個方面取得了重大進展：（1）大型流化床工藝設(shè)備。（2） 流化床系統(tǒng)工藝布局的優(yōu)化。（3） 高效利用能源。（4） 與高爐煉鐵工藝的協(xié)同作用帶來了顯著的生產(chǎn)效益。目前正在開發(fā)新的工藝，利用H2作為主要還原劑，包括來自可再生能源的H2、來自傳統(tǒng)蒸汽重整器的富H2氣體或富氫廢氣。表1總結(jié)了上述DR和SR工藝的不同流化床技術(shù)的特點。

流化床工藝的優(yōu)點是可以處理各種類型的細(xì)粒礦石，并且能夠從各種燃料中進行選擇，包括煤、天然氣、氫氣等。在流化床工藝中，鐵礦石的還原程度可以通過控制流化床的壓力、溫度、氣流速度和級數(shù)來實現(xiàn)。然而，粉末流化床的結(jié)合問題和其他問題尚未完全解決[56]。鐵浴爐二次燃燒與爐襯侵蝕之間的內(nèi)在矛盾帶來了困難。此外，減少高熱值廢氣的廢氣利用決定了該工藝的經(jīng)濟性。

氫基材料的問題與解決方案

流化床煉鐵與高爐相比，細(xì)鐵礦石可以直接用于流化床生產(chǎn)過程，而不需要燒結(jié)、造粒或煉焦過程。由于操作溫度較低，脈石相不太可能還原為金屬鐵相，使FB在處理復(fù)雜的共生鐵礦石方面更有效。

考慮到化石燃料資源的逐漸枯竭和環(huán)境危害，使用氫能作為熱能來源和還原劑是提高流化床工藝競爭力的關(guān)鍵。在流化后期，鐵礦石顆粒由于溫度低和孔隙率低而傾向于粘在一起，導(dǎo)致整個床層回流，降低了生產(chǎn)率，增加了安全風(fēng)險。

綠色氫的來源

通過經(jīng)濟低碳技術(shù)生產(chǎn)氫氣是氫冶金的必要條件。然而，大規(guī)模的鐵生產(chǎn)對氫氣的采購提出了挑戰(zhàn)。目前，石化能源占世界氫氣總產(chǎn)量的95%。傳統(tǒng)的制氫方法主要包括重整化石燃料、電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)品氫氣[57]。

最近，引入了生物質(zhì)制氫和光催化制氫等新方法[58]。使用燃煤發(fā)電-水解仍然是氫氣生產(chǎn)的常見途徑，這無法避免二氧化碳排放問題[59]。能源轉(zhuǎn)換效率也是一個關(guān)鍵考慮因素，消耗更少能源和排放更少碳的氫氣生產(chǎn)技術(shù)路線尚未占據(jù)主導(dǎo)地位。低成本生產(chǎn)“綠色氫”仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)[60]。

氫氣運輸和使用的安全是濕法冶金的一個重點。氫氣在室溫下無毒、無色、無腐蝕性[61]。然而，當(dāng)溫度高于260℃時，它會腐蝕碳鋼金屬，導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。由于高壓和低溫，氫氣的液體儲存會帶來危險。此外，氫氣是一種高能易燃?xì)怏w，與空氣和氧氣混合時會燃燒和爆炸。

氫氣具有自燃溫度低、爆炸范圍廣、檢測困難等特點，易于擴散，在高海拔地區(qū)富集等。[62]. 在社會能夠一致接受氫能的廣泛使用之前，確保氫能系統(tǒng)的安全是一個重大挑戰(zhàn)。成熟的大規(guī)模儲氫技術(shù)的發(fā)展和氫能的有效利用對于實現(xiàn)氫冶金的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要[63]

鐵礦石之間的粘結(jié)現(xiàn)象

在鐵礦粉高溫流化還原過程中，由于金屬鐵的沉淀，顆粒的粘度增加。這些粒子相互粘附，形成一個相當(dāng)大的粒子團。粘合后，粒徑有可能增加至少10倍或更多。根據(jù)文郁公式[64]，

其中Umf是固體顆粒床中流化開始時氣體的表觀速度；dp是體積當(dāng)量直徑，即與所考慮的顆粒具有相同體積的球體的直徑；s、 g分別是電荷（固體）和氣流（氣體）的密度，g/L和g/cm3；為氣流粘度，Pa·s；g是重力加速度。啟動顆粒流化所需的速度與其尺寸的平方成正比。當(dāng)粒徑增加10倍時，氣體速度必須增加100倍才能保持正常的流化。

因此，當(dāng)團聚體達(dá)到一定尺寸時，所需的最小流化速度將超過操作氣體速度[65,66]。結(jié)塊將沉積在床層底部，導(dǎo)致異常流化狀態(tài)，如凹槽和節(jié)流，最終導(dǎo)致阻礙氣流的“死床”[67，68]。

在失去正常流量后恢復(fù)流化通常具有挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致連續(xù)不穩(wěn)定運行。[69, 70].粘合是該工藝工業(yè)化的重要障礙，已經(jīng)研究了粘合溫度、時間和指標(biāo)來描述和評估粘合行為。結(jié)合指數(shù)SI可用于比較鐵礦粉顆粒之間的結(jié)合行為，如下：還原大于原始樣品；m（total）是整個樣品粒徑的質(zhì)量。

由于低熔點礦物軟化并結(jié)合在一起，流化床經(jīng)常發(fā)生結(jié)合。CO作為還原劑產(chǎn)生的鐵須也可以連接顆粒，如圖15所示。而H2還原產(chǎn)生的鐵具有很高的活性，聚集后會導(dǎo)致結(jié)合。

圖16顯示了H2和H2-CO混合還原過程中鐵礦石顆粒的結(jié)構(gòu)變化。1123 K以上的局部過熱區(qū)導(dǎo)致煤矸石與產(chǎn)生的FeO固體反應(yīng)形成低熔點礦物，從而形成粘結(jié)[71,72]。眾多學(xué)者在流化床中對不同條件下的各種鐵礦石進行了實驗研究，導(dǎo)致粘結(jié)的參數(shù)主要包括還原溫度、氣體流量、還原氣體類型、鐵礦石性質(zhì)（粒徑和脈石類型）和還原度[73,74]。

目前，抑制鍵合的主要措施如下：1）提高氣體速度，降低還原溫度；2） 控制鐵晶體形態(tài)；3） 添加惰性隔離物；4） 快速循環(huán)流化床；5） 將碳附著在礦物粉末顆粒上；6） 改進流化床反應(yīng)器的設(shè)計；7）允許粘合并快速分離[75-78]。

結(jié)論與展望

流態(tài)化煉鐵技術(shù)是指通過流化床直接還原細(xì)鐵礦石。與傳統(tǒng)方法不同，該技術(shù)可以使用無焦炭的粉末礦石，處理復(fù)雜的國內(nèi)共生礦石。此外，它還可以與其他直接還原和冶煉技術(shù)相結(jié)合，形成更高效的工藝。流化床在粉末礦石和氣體之間提供了更大的接觸面，加強了傳熱、傳質(zhì)和還原過程，從而提高了生產(chǎn)效率。此外，在流化床煉鐵中使用H2是減少二氧化碳排放或?qū)崿F(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)零排放的重要一步。

然而，流化床直接還原煉鐵也存在一些技術(shù)局限性，例如流化過程中的粘結(jié)問題。盡管已經(jīng)進行了廣泛的研究，但由于經(jīng)濟和技術(shù)可行性，生產(chǎn)中的實際問題仍然具有挑戰(zhàn)性。需要系統(tǒng)研究還原度、鐵礦粉金屬化率與結(jié)合現(xiàn)象之間的定量關(guān)系，并找出內(nèi)在關(guān)系。不同成分和濃度的混合還原氣體（CO和H2）對鍵合的影響機制需要進一步分析和討論。應(yīng)研究添加添加劑的有效抑制措施，不僅要考慮鍵合抑制作用，還要考慮其對還原過程的影響。

同時，氫氣生產(chǎn)過程的綠色經(jīng)濟、碳冶金到氫冶金過程中使用過程的安全性和效率也是研究的重點?；瘜W(xué)床氫直接還原鐵技術(shù)也存在技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括通用鐵礦石原料改性技術(shù)、加壓H2還原關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計和放大，以及H2生產(chǎn)和煉鋼上下游連接的優(yōu)化。技術(shù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化也是未來研發(fā)的重點。H2直接還原的快速發(fā)展和應(yīng)用仍然取決于綠色氫氣成本的進一步降低，主要依靠新能源的開發(fā)來降低綠色電力成本，以及電解水技術(shù)的創(chuàng)新來提高H2生產(chǎn)效率。結(jié)合流化床氫氣直接還原煉鐵技術(shù)的突破和完成，流化床氫氣冶金技術(shù)將變得極具競爭力。