气候变化是当今世界面临的决定性挑战之一，钢铁行业约占全球二氧化碳排放量的 7%，因此，正在开发创新的氢基技术以减少未来钢铁厂的碳排放。在此背景下，一种成熟的直接还原技术应运而生，可以最大限度地提高氢气在 DRI（直接还原铁）生产中的有效利用率。本文对在不同 H2 浓度下运行的反应器进行了 CFD（计算流体动力学）分析，描述和分析了 DRI 和气相的动量、物质和焓平衡。
1 简介
工业温室气体（GHG）排放占全球温室气体排放的28%，而钢铁行业所占份额最大，约为7%-8%。然而，与其他材料相比，钢铁的优势在于它100%可回收，是确保循环经济和使世界更加可持续的完美材料。
电弧炉 (EAF) 工艺路线以废料或热压块铁 (HBI)/直接还原铁 (DRI) 为原料，因此碳足迹较低。然而，废料供应有限，尤其是在新兴国家，因此需要引入新的铁源来生产粗钢。全球铁生产主要基于高炉 (BF)，高炉占较大份额，而 DRI 占较小份额。高炉路线几乎已优化，因此如果不进行重大工艺改进，就无法实现显著的二氧化碳减排。建议在高炉工艺路线中添加废料或 DRI 以提高产量并减少二氧化碳排放，但这些不是主要来源，因此不是解决方案。高炉中的氢气富集会导致一些操作问题，应加以限制，因此 H2 路线不是高炉的选择。最有前途的技术是将纯 O2 注入高炉，以减轻炉顶气中 CO/CO2 的分离以及高炉本身的 CO 回收（炉顶气回收 TGR）。 此外，需要绿色电力来生产O2，以避免进一步排放CO2。TGR不能分阶段实施，也不会减少25%的碳足迹，因此对于剩余的75%的CO2，需要大量投资、绿色电力和合适的碳捕获和储存（CCS）技术，这意味着这种解决方案尚未可用。如果钢铁行业不想依赖CCS技术（可能无法应对钢铁行业的CO2排放），则需要转向纯电动或纯H2路线，从碳捕获转向碳避免。纯电动工艺的技术就绪水平（TRL）较低，只能在未来考虑。目前最有说服力和最成熟的技术是基于氢的直接还原技术。
2.直接避免碳排放的解决方案
众所周知，ZR（零重整）技术是利用天然气作为还原气（代替综合钢厂使用的焦煤）来减少炼铁过程中的碳排放。一般来说，从循环气体中去除二氧化碳是每个工艺的特点。
其次，该技术能够选择性地去除约 60% 的二氧化碳排放，这些排放物可以储存或用于其他目的，前提是这些解决方案是有效的。无论原料气的性质如何，基本工艺方案都是相同的，如果有分离出的二氧化碳的用户，即使使用“绿色”特性较差的还原气体，如焦炉煤气或煤气化合成气，也可以减少二氧化碳排放。改用仅由 H2 组成的原料气将是一项真正的创新，因为还原反应的唯一产物是 H2O，因此整个过程中不会产生二氧化碳。
使用高 H2 含量还原气体的反应器已投入运行。事实上，ZR 工厂中的典型 H2/CO 比率约为 3/4，而在具有外部重整器的工厂中，该值可提高到 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。先前的研究表明，可以精确预测固体流场（包括其内部应力），并计算通过多孔床的气体流场以及固相和气相的热和化学描述。该模型能够重现高压下运行的工业直接还原工艺 (DRP) 反应器在产品金属化和 DRI 总碳含量方面的行为。此外，该模型能够在不改变任何模型参数的情况下模拟两种截然不同的反应器配置：还原外部重整器中产生的气体或将天然气直接注入工艺（ZR 配置）在模型中均以相同的方式表示。
3.2 模型概述
固体流动被视为非牛顿连续流体。所提出的流变学基于动力学数学模型来描述粒子速度波动对粘度的影响，从而提供闭环模型。壁面边界条件下的“滑移长度”再现了固体与壁面之间的相互作用（颗粒材料的典型滑动粘性运动）。此外，固相连续性必须分别考虑由于碳沉积和还原反应而导致的固相和气相之间的质量转移。
基于固相的连续性，气体的连续性可以用质量平衡来描述。因此，气相的质量变化与固相的质量变化相同，但符号相反。因此，整个系统（气体+固体）准确地表现出整体的质量连续性。根据-方程，气体动量方程包含粘度和惯性耗散项。
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。铁矿石由赤铁矿 (Fe2O3) 组成，逐渐还原为磁铁矿 (Fe3O4)、方铁矿 (FeO) 和 Fe。矿石中还含有一些脉石 (SiO2、CaO 等)，这些脉石在还原过程中被视为惰性物质。由于赤铁矿到磁铁矿的反应比方铁矿的反应快得多，因此仅考虑赤铁矿到方铁矿和方铁矿到 Fe 的步骤，每个步骤都需要 H2 和 CO。方铁矿到 Fe 的反应被认为是可逆的，并且与热力学平衡 FeO/Fe 有关。
4。讨论
本文提到的设备为250万吨/年ZR反应器（321.5th），生产HBI，金属化率为94％。
本研究考虑了三种不同的注入模式：1）100％天然气（NG）；2）50％NG/50％H2（从能源角度来看）；3）80％H2/20％NG（从能源角度来看）。
4.1 案例一：天然气注入
本案例中的工艺方案为 ZR（图 1）。在去除 CO2 后，将天然气添加到循环气体中，然后将这两种气流的混合物送入加湿器（以控制 H2O 含量）和工艺气体加热器，在那里加热到 950°C 左右。O2 注入有助于将护罩废气的温度升高到 1100°C，然后再进入还原反应器。
4.2 案例1的CFD模拟
还原气体从护罩管的气体分布器沿整个圆周径向进入反应器。因此，反应器内部体积存在温度梯度和还原气体成分，这些都会对固体的径向分布产生影响（图 2）。金属化在外围几乎完全，此处温度和还原剂处于最高水平，并逐渐向反应器中心降低，此处只有 1% 的颗粒的金属化率低于 88%。计算得出的平均金属化率为 94%。
4.3 案例 2：注入 50% 天然气/50% H2
在这种情况下，对工艺方案的唯一修改是将 H2 作为新鲜进料添加到循环气体中（图 3），就像天然气一样。注入混合物中的天然气含量较高（因此顶部气体中的 CO2 含量较高）意味着 CO2 汽提器或加湿器等设备尚无法绕过。
随着H2加入量的增加，进入反应器的周围管道气体组成如表2所示，其流量约为/h。
4.4 案例2的CFD模拟
案例 2 中的反应器性能与案例 1 中的非常相似。通过用 H2 替代部分天然气，反应性提高，吸热性降低。结果，工艺气体流量减少了 8%，入口温度降低了 115°C。
平均金属化率始终为94%，分布曲线更加明显。C图与案例1有很大不同，因为较低的渗碳力导致碳沉积较少。产品中平均C含量约为1%。
4.5 案例 3：80% H₂/20% 天
天然气注入
添加H2更能有效降低炉顶气中的CO含量，因此无需将其从炉顶气中分离出来并回收利用。由于原料气中的烃含量较低，因此在这些情况下可以绕过CO2去除装置和加湿器。
封闭空间内的气体成分明显以H2为主，封闭空间内的气体流速降至/h以下，远低于案例2中的流速。
4.6 案例3的CFD模拟
案例 3 的结果：由于 H2 含量超过 70%，工艺气体流量与案例 1 相比减少了 5%，温度降低了 50°C。金属化图略有下移，而产品中的平均值仍为 94%。渗碳反应较弱，因此产品中的 C 为 0.6%。反应器中的温度与案例 1 和 2 中的趋势相同，上部反应器的温度降低，但下部反应器的温度仍然很高，因此排放温度仍在 750°C 左右。
4.7 碳排放
本节重点分析上述不同情景下的碳排放。评估时需做出一些假设：1）不考虑上游工厂（铁矿石、水泥生产等）的碳排放，因为它们在所有情况下都相同。2）考虑电解制氢，消耗量为/kgH2。3）对电力相关的CO2排放进行敏感性分析，其中绿色能源/核电为/kWh，燃气发电为/kWh，燃煤发电为/kWh。4）由于过程排放被选择性去除，可用于CCS或其他目的，因此过程和加热器烟道中的CO2排放需要单独计算。它们被称为选择性排放和非选择性排放。这些假设下不同情形的碳排放报告见表4。