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煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)流程中重要的一環(huán)，目前主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法和等離子法等。由于具有工藝簡(jiǎn)單、勞動(dòng)生產(chǎn)率高和綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本生產(chǎn)，因此高爐煉鐵是當(dāng)前最主要的煉鐵工藝。
但是，高爐煉鐵需要配套建設(shè)燒結(jié)( 或球團(tuán))與煉焦工序，整個(gè)生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、能耗高、污染排放大，加之焦煤資源的短缺，使得鋼鐵行業(yè)成為當(dāng)前資源環(huán)境約束條件下常常被詬病的產(chǎn)業(yè)之一。因此長(zhǎng)期以來，發(fā)展綠色低碳煉鐵工藝，一直都是鋼鐵工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與突破的重要課題。
從化學(xué)反應(yīng)的角度來說，無論是燒結(jié)( 或球團(tuán)) 過程還是煉焦過程，或是高爐煉鐵過程，都屬于典型的非均相化學(xué)反應(yīng)過程。研究化學(xué)反應(yīng)過程，最為關(guān)注的是其化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理。冶金過程動(dòng)力學(xué)，就是研究冶金過程( 包括冶金反應(yīng)及物理過程) 的速度及其機(jī)理，從而提高冶金過程的冶煉強(qiáng)度、縮短冶煉時(shí)間、提高冶金產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)冶金工業(yè)自動(dòng)化、探討和開發(fā)冶金新技術(shù)及新流程的重要手段。文章從介紹流固非均相反應(yīng)機(jī)理及其反應(yīng)器模型入手，簡(jiǎn)要分析當(dāng)前幾種煉鐵工藝技術(shù)的不足，并對(duì)開展綠色低碳煉鐵工藝技術(shù)研究的方向進(jìn)行展望。
1 流固非均相反應(yīng)機(jī)理及其反應(yīng)器模型
1. 1 非均相反應(yīng)機(jī)理
非均相反應(yīng)過程，又稱多相反應(yīng)過程，是指反應(yīng)物系包含兩個(gè)或更多個(gè)相的反應(yīng)過程。對(duì)于有固相參與的流固非均相反應(yīng)過程，其反應(yīng)機(jī)理可按非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行研究。為簡(jiǎn)單計(jì)，先以固體顆粒大小不變且無相變的氣固反應(yīng)模型進(jìn)行分析。氣固無相變反應(yīng)過程通常包括以下7 個(gè)基本步驟:
( 1) 氣體反應(yīng)物從氣相主體擴(kuò)散到固體顆粒外表面;
( 2) 氣體反應(yīng)物經(jīng)顆粒內(nèi)微孔擴(kuò)散到顆粒內(nèi)表面;
( 3) 氣體反應(yīng)物被顆粒內(nèi)微孔表面吸附;
( 4) 氣固兩相在顆粒內(nèi)微孔表面上發(fā)生反應(yīng);
( 5) 反應(yīng)產(chǎn)物從顆粒內(nèi)微孔表面脫附;
( 6) 反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)顆粒內(nèi)微孔擴(kuò)散到顆粒外表面;
( 7) 反應(yīng)產(chǎn)物由顆粒外表面擴(kuò)散返回氣流主體。