Energiron反应器在不同氢气浓度下的CFD研究

气候变化是当前全球面临的决定性挑战之一，而钢铁行业的CO₂排放量占全世界的7%左右，正在开发创新的氢基技术可以减少未来炼钢厂的碳排放。在此背景下应运而生的Energiron是一种成熟的直接还原技术，它可最大限度地有效利用H₂进行DRI（直接还原铁）生产。本文介绍了不同H₂浓度下运行的Energiron反应器的CFD（计算流体动力学）分析，描述并分析了DRI和气相的动量、种类与焓平衡。

1 前言

工业的温室气体（GHG）排放量是全球GHG排放量的28%，而钢铁工业又占了其中最大份额，约7%-8%。不过，与其他材料相比，钢铁材料有一个优势，即100%可回收，所以成为了一种保证循环经济，使世界更加可持续发展的完美材料。

电弧炉（EAF）工艺路线是装入废钢或热压块铁（HBI）/直接还原铁（DRI），因此碳足迹较少。然而，废钢供应有限，特别是在新兴国家，市场需要为粗钢生产引入新的铁源。全球的铁生产主要依赖高炉（BF），其所占份额较大，而DRI所占份额较小。BF路线已几近优化，因此，如果工艺不进行重大改进，就无法实现CO₂大幅减排。建议BF工艺路线添加废钢或DRI，以提高产量并减少CO₂排放，但这些不是主要源头，因此也不是解决方案。高炉富氢会使运行过程出现一些问题，应加以限制，所以H₂路线不是高炉的选择。最有前途的技术便是将纯O₂喷入高炉，以减轻CO/CO₂与炉顶煤气的分离以及BF本身的CO循环（炉顶煤气循环TGR）。此外，生产O₂需要绿色电力，以避免进一步排放CO₂。TGR无法被逐步应用，也不会减少25%的碳足迹，因此，对于剩余的75%CO₂，则需要大量投资、绿色电力以及合适的碳捕集和封存（CCS）技术，这意味着这种解决方案尚无法应用。如果钢铁行业不想依赖（可能没有能力应对钢铁行业的CO₂产出）CCS技术，则需要转向纯电力或纯H₂路线，从碳捕集转向碳避免。纯电力工艺的技术准备水平（TRLs）较低，只能在未来进行考虑。目前最有说服力和成熟的技术是氢基直接还原技术。

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2 直接避免碳排放的解决方案

众所周知，Energiron ZR（零重整）技术因使用了天然气作为还原气体（替代联合钢厂所用的焦煤），所以能够减少炼铁的碳排放。一般而言，从循环气体内部去除CO₂是每一种Energiron工艺的特性。

第二点，该技术能够选择性去除约60%的CO₂排放，只要这些解决方案切实有效，便可将其封存或用于其他用途。无论补给气体的性质如何，基本工艺方案都是相同的，如果分离出的CO₂有用户，那么即便使用“绿色”特性较少的还原气体，例如焦炉煤气或煤炭气化产生的合成气，Energiron也可以减少CO₂排放。改用仅由H₂组成的原料气会是真正的革新技术，因为还原反应的唯一产物是H₂O，所以在整个工艺中完全不产生CO₂。

使用高H₂含量还原气体的Energiron反应器已在运行之中。事实上，Energiron ZR装置的典型H₂/CO比约为3/4，而在带有外部重整器的Energiron装置中，该值可增加到4/5。

3 流体动力学建模

3.1早期研究

数值模拟是研发领域的有效工具。先前的一项研究表明，可以密切预测固体流场，包括其内应力，并计算流过多孔床的气体流场以及固相和气相的热学和化学描述。模型能够在产品金属化和DRI总碳含量方面重现高压下运行的工业直接还原工艺（DRP）反应器的行为。此外，该模型还能模拟两种截然不同的反应器配置而无需更改任何模型参数：减少外部重整器产生的气体或在工艺中直接喷入天然气（ZR配置）都能在模型中得到相同的呈现。

3.2 模型概述

固体流被视为非牛顿连续流体。所提出的流变学就是通过利用一个动力学数学模型来描述颗粒速度脉动对黏度的影响，提供闭环模型。壁面处边界条件下的“滑移长度”再现了固体与边壁之间的交互作用（典型的粒状材料滑黏运动）。此外，固相连续性必须分别说明因积碳和还原反应引起的固相和气相之间的传质。

在固相连续性的基础上，通过质量平衡来描述气体的连续性。因此，气相的质量变化与固相的质量变化，其值相同，但符号相反。所以，整个体系（气体+固体）精确地显示了整体的质量连续性。根据Brinkman-Forchheimer方程，气体动量方程包含黏度和惯性耗散项。

3.3 动力学模型

铁矿石还原涉及固相和气相之间的多相反应。由赤铁矿（Fe₂O₃）构成的铁矿石逐渐被还原为磁铁矿（Fe₃O₄）、维氏体（FeO）和Fe。矿石中还含有一些脉石（SiO₂、CaO等），被认为是还原过程中的惰性物质。由于赤铁矿到磁铁矿反应比到维氏体反应快得多，所以仅考虑了从赤铁矿到维氏体和从维氏体到Fe的步骤，每一步都需要H₂和CO。从维氏体到Fe的反应被认为是可逆的，且与热力学平衡FeO/Fe相关。

4 讨论

本文提到的设备为250万吨/年 Energiron ZR反应器（321.5 th），生产金属化率为94%的HBI。

本项研究考虑了三种不同的喷吹模式：1）100% 天然气 （NG）；2）50% 天然气/50%H₂ （从能源角度计算）；3）80% H₂/20% 天然气（从能源角度计算）。

4.1案例1：天然气喷吹

这种情况下的工艺方案是Energiron ZR（图 1）。在去除CO₂后，天然气被加入到循环气体中，然后将这两种气流的混合物送至加湿器（用以控制H₂O含量）和工艺气体加热炉，在那里将其加热至950℃左右。O₂的喷入有助于围管废气在进入还原反应器之前提高到 1100℃。

4.2 案例1的CFD模拟

还原气体从围管气体分布器沿整个圆周径向进入反应器。因此，反应器的内部容积中存在温度梯度和还原性气体成分，这会对固体的径向分布有所影响（图2）。外围的金属化几近完成，此处的温度和还原剂处于最高水平，并朝反应器中心逐渐减小，此时只有1%的球团金属化率低于88%。计算的平均金属化率为94%。

4.3案例2：50%天然气/50%H2喷吹

在这种情况下，对工艺方案的唯一修改是将H₂作为新料添加到循环气体（图3）中，就像使用天然气一样。喷吹混合物中的天然气（以及因此造成的炉顶气中的CO₂）含量较高意味着尚不能绕开诸如CO₂脱除装置或加湿器等设备。

随着加入H₂量的增加，进入反应器的围管气体的成分如表2所示。其流速约为 610000Nm3/h。

4.4 案例2的CFD模拟

案例2中的反应器性能与案例1的非常相似（图4）。通过用H₂代替部分天然气，提高了反应性并降低了吸热性。结果，工艺气体流量减少了8%，入口温度降低了115℃。

平均金属化率始终为 94%，分布曲线更加明显。C图与案例1中的大相径庭，因为较低的渗碳力引起的积碳也较少。产品中的平均C量约为 1%。

4.5案例3：80%H₂/20%天

然气喷吹

增加H₂能更有效地降低炉顶气中的CO含量，所以不需要将其与炉顶气分离后再循环使用。由于原料气的烃含量低，因此，在这些情况下，可以绕开CO₂脱除装置和加湿器（见图5）。

根据表 3，围管气体成分显然以H₂为主。围管气体流量降到590000Nm³/h以下，比案例2中的低得多。

4.6 案例3的CFD模拟

案例3的结果示于图6。由于H₂含量超过70%，因此工艺气体流量比案例1降低5%，温度降低50℃。金属化图下移些许，同时产品中的平均值保持在94%。渗碳反应更弱，因此，产品中的C为0.6%。反应器内的温度与案例1和案例2的趋势相同，在上反应器中降低，但在下反应器中仍然很高，因此排出温度仍然在750℃左右。

4.7 碳排放

本节着重分析上述不同情况下的碳排放。必须做出一些假设以便评估：1） 不考虑上游工厂（铁矿石、水泥生产等）的碳排放，因为在所有情况下都是相同的。2）考虑电解制氢，消耗量为 56kWhEE/kgH₂。3） 对电能相关CO₂排放量进行敏感性分析，绿色能源/核电为20gCO₂/kWh，燃气发电为490gCO₂/kWh，煤电为820gCO2/kWh。4）由于对工艺排放进行了选择性去除，并且可用于CCS或其他用途，因此分开计算来自工艺和加热器烟道的CO₂排放。它们被称为选择性排放和非选择性排放。这些假设下的不同案例的碳排放报告参见表4。

本文为部分内容，全文请锁定《世界金属导报》23期B14。