氨法炼铁新突破：高效还原氧化铁，助力钢铁产业绿色转型

本文聚焦氨还原氧化铁炼铁研究。传统炼铁 CO2排放大，氨炼铁可减少排放（NH3-DR）。研究经热力学和动力学分析，发现高温、高流量条件能加快反应、提高氨利用率，且可用于工业球团矿还原，为钢铁产业绿色发展提供新路径。

　　### 研究背景
钢铁生产在全球经济中占据重要地位，但炼铁过程产生大量 CO₂排放，约占全球 CO₂排放的 4%，这给环境带来了巨大压力。因此，寻找一种低碳炼铁方法迫在眉睫。氨（NH₃）作为一种潜在的绿色还原剂，受到了广泛关注。其与氧化铁反应生成铁、氮气和水，可避免传统炼铁中因使用化石燃料而产生的大量 CO₂排放，有望实现钢铁产业的脱碳目标。然而，此前研究发现，氨与氧化铁的反应存在反应动力学缓慢、氨利用率低的问题，限制了其在工业中的应用。例如，早期研究中，反应可能需要数小时才能完成，且氨的利用率仅为百分之几。若能解决这些问题，氨法炼铁将在成本上与现有技术竞争，且具有环保优势。

研究目的

本研究旨在突破氨还原氧化铁过程中的反应速率和氨利用率瓶颈，探索高效的氨法炼铁工艺，为钢铁产业的可持续发展提供可行方案。

实验方法

1. 构建反应器：搭建了定制的热壁化学反应器，由石英管、管式炉和质量流量控制器（MFCs）等组成。实验时，将氧化铁（Fe₂O₃）粉末置于石英舟中，以薄层形式平行于气流铺放，确保其充分暴露于气体中。实验前先在氩气氛围下加热，达到反应温度后切换为纯氨气流，反应结束后再切换回氩气冷却。
2. 反应条件优化：通过改变反应温度（600°C - 1000°C）、氨气流速（40 - 200 sccm）、样品床几何形状（单舟或双舟）以及引入惰性气体脉冲等条件，研究其对反应速率和氨利用率的影响。
3. 产物分析：采用能量色散 X 射线光谱（EDS）、粉末 X 射线衍射（pXRD）对固体反应产物进行成分和相分析，部分产物的氮含量通过燃烧分析确定；使用质谱对气态产物进行分析。

实验结果

1. 温度对反应的影响：实验表明，升高温度可显著加快反应速率。在 120 sccm 氨气流速下，600°C - 700°C 时，完全还原需要 5 分钟；而 900°C - 1000°C 时，仅需 1 分钟。同时，高温也提高了氨的利用率。700°C 时，5 分钟反应的氨利用率为 7.5%；900°C - 1000°C 时，1 分钟反应的氨利用率可达 37.3%，接近 1000°C 时的平衡利用率（38.8%）。
2. 流速对反应的影响：研究发现，流速对反应也有重要影响。在 700°C 时，当流速超过 120 sccm，样品的还原程度不再随流速增加而明显变化，表明此时速率限制步骤不是氨的输送。而在 1000°C 时，流速高于 80 sccm 即可使样品完全还原。在 80 sccm 流速下，700°C 时完全还原需 10 分钟，氨利用率为 5.6%；1000°C 时仅需 1 分钟，氨利用率达 56%。
3. 样品床几何形状的影响：改变样品床几何形状，将反应物料分散在两个石英舟中，可缩短气体扩散路径，提高氨的利用率。例如，在 1000°C、70 sccm 条件下，采用双舟分散物料，氨利用率可达 64%；在 800°C、140 sccm 条件下，同样采用双舟，氨利用率为 32%，与 800°C 时的平衡利用率（32.4%）相符。
4. 反应规模放大：对反应进行规模放大实验，在 1000°C、1 分钟的反应条件下，按比例增加氧化铁用量和氨气流速，成功实现了 5 倍规模的反应（0.8 g Fe₂O₃），氨利用率保持在 56%。
5. 水积累问题及解决方法：在尝试 10 倍规模放大（1.6 g Fe₂O₃）时，发现反应不完全，原因是反应器内水积累抑制了反应。通过引入氩气脉冲吹扫反应副产物水，成功解决了这一问题。在 10 mmol 反应中，采用四个 1 分钟的 200 sccm 氨脉冲，中间间隔 1 分钟的 200 sccm 氩气脉冲，实现了完全还原，且氨利用率仍保持在 56%。在 700°C 时，采用类似的脉冲方法（四个 1 分钟的 40 sccm 氨脉冲，间隔 1 分钟的 120 sccm 氩气脉冲），可使样品完全还原，氨利用率达到 28%，是此前报道的约 3 倍，且反应时间大幅缩短。
6. 球团矿还原：将优化后的反应条件应用于工业常用的球团矿还原。以明尼苏达铁燧岩制成的高炉（BF）级球团矿为原料，在 1000°C、80 sccm 氨气流速下，通过质谱监测发现，高于此流速时，增加流速对水生成峰值时间无明显影响。采用脉冲方法，可将还原时间缩短至 15 分钟，氨利用率达到 34.2%，接近 1000°C 时的平衡利用率（38.8%），相比之前报道的结果有显著提升。

研究结论

本研究通过对氨还原氧化铁反应的深入研究，发现高温（900°C - 1000°C）可加快反应速率，使还原在 1 分钟内完成，并提高氨利用率至 56%。优化样品床几何形状可进一步将氨利用率提升至 64%。引入氩气脉冲吹扫水的方法，不仅有助于反应规模放大至克级，还使 700°C 时的氨利用率提高约 3 倍，达到 28%。这些成果同样适用于球团矿还原，虽然球团矿还原速度较粉末慢，但通过提高温度和采用脉冲技术，仍可实现更快的还原速度和更高的氨利用率。本研究为氨法炼铁在工业规模上的应用提供了可行路径，有望推动钢铁产业向绿色、低碳方向发展。未来研究可在此基础上，进一步优化反应条件，探索更高效的反应体系，以实现氨法炼铁的大规模工业化应用，助力全球钢铁产业的可持续发展。