基于气体的竖炉直接还原过程中金属铁产率和二氧化碳排放的热力学计算

把废气变成有用的金属

钢铁支撑着现代生活，但其生产会释放大量二氧化碳。在全球超过一半钢产来自中国的背景下，减少排放对于气候目标至关重要。本研究探讨了一种来自焦化厂的未充分利用副产物——焦炉煤气，如何在一种称为竖炉的反应器中既作为燃料又作为化学剂，更高效地制造铁，同时降低碳排放。

为何钢铁的烟囱很重要

炼钢通常依赖于高大的高炉和煤，这导致高碳排放。与此同时，制备冶金焦的焦化厂会释放大量富含氢和甲烷的煤气，其中相当一部分被点燃燃烧或浪费掉。由于按单位能量计其对气候的影响与天然气相近，更明智地利用这种副产物可以替代需开采或进口的化石燃料。作者们要解决的问题是：焦炉煤气在以气体为基础的竖炉中能在多大程度上用于将铁矿石还原为块状铁，以及这对二氧化碳排放意味着什么。

构建虚拟钢厂

研究人员没有运行昂贵的中试装置，而是建立了详细的热力学模型——一种以能量和物质守恒定律为基础的虚拟工厂。他们追踪焦炉煤气被先在独立加热炉中加热并重整成富氢混合气，然后送入竖炉，在那里它从铁矿石球团中脱去氧。模型跟踪了产生的金属铁量、用于化学反应和加热所消耗的气体量，以及随尾气排出的二氧化碳量。通过改变关键输入参数，如矿石的含铁量、金属化程度（即转为金属的铁份额）和金属铁形成的温度，模型展示了每一项选择如何同时影响产率和排放。

矿石品位比微调更重要

一个明显的结果是矿石的铁品位是主要杠杆。当含铁量从相对低的45%提高到70%时，单位固定焦炉煤气下产生的金属铁质量增加超过60%。与此同时，每吨金属对应的二氧化碳排放显著下降，大约从1.2吨降到约0.74吨。这是因为更高品位的矿石含有更少不会转为铁但需加热的非金属物质。混合物中无用岩石越少，用于仅提供热量而被燃烧掉的气体就越少，更多的气体可以用于将氧化铁还原为金属。

炉内工况的微调

研究团队还考察了竖炉内的两个操作“旋钮”：矿石转为金属的完整程度（即金属化程度）和最后一步还原发生的温度。提高金属化程度倾向于同时提高固体产物的铁产率和每吨固体的二氧化碳排放，但它会降低每吨纯金属的排放，因为相同量的气体产生了更多有用的铁。略微提高金属铁形成温度会略微降低金属产率并增加排放，因为更高温度需要额外的气体用于供热。总体来说，这些因素确实重要，但远不及从更高品位矿石开始来的关键。

循环高温尾气以减少浪费

模型显示，热平衡而不仅仅是化学反应，在很大程度上决定了系统需要多少气体。当来自竖炉顶部的高温尾气在加热炉中被燃烧时，只有约五分之一的经净化气体用于覆盖加热需求。其余的四分之四理论上可以去除二氧化碳后回输为新鲜的还原气。在一个以年产120万吨焦为基础产生煤气的实际案例中，可用煤气可支持竖炉每年大约490万吨金属铁的生产，同时年总二氧化碳排放量由产生的煤气量决定，并且每吨铁的排放量有所下降。

对更清洁炼钢的意义

对关注气候友好型产业的读者来说，结论是：谨慎利用现有的副产煤气并使用更高品位的矿石，可以在铁冶金的碳足迹上取得明显的改善。这项研究并不承诺实现零排放，但它描绘了基于焦炉煤气的竖炉在热力学上的极限。通过优先使用高铁矿石、循环大部分高温尾气并避免不必要的超高温操作，钢铁生产者可以用相同的燃料获得更多金属，同时向空气中排放更少的二氧化碳。

引用: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

关键词: 焦炉煤气, 竖炉, 直接还原铁, 钢铁脱碳, 热力学建模