4铁矿流态化直接还原技术
目前国内外对磁化焙烧特别是流态化磁化焙烧方面的研究很少，但国内外铁矿石流态化直接还原进行了一些研究[28-31]，设计了一些铁矿石流态化还原技术与装备，为我们研究氧化铁矿石流态化磁化焙烧技术与装备有所借鉴，在此做一简介。
4.1冷态下铁矿石颗粒流态化规律
最小流化速度Umf是流化床操作的最低气速，是确定有效气体流量的重要依据之一[32]。韩国浦项工业科技研究院熔融还原中心用粒度为-5mm和-8mm较宽粒级的铁矿粉研究了锥角和气体流速对颗粒在锥型气固流化床中的分布。实验装置如图1-5。设计了可以观察颗粒运动的由透明有机玻璃制成的体积相同、锥角分别为00（柱型）、50、100、150的四种流化床，锥体底部直径0.16m，气体分布板气孔直径为1mm，间距9mm，开孔率1.5%。为了防止实验中漏料，分布板下面设有200目的金属筛网，反应器的顶部装有防止细粒级物料溢损的柱型管（图18所示，直径0.49m）。
图18 锥型流化床铁矿粉冷态流态化试验装置
实验所用原料性质：颗粒密度4.59/cm3，球形系数0.73，中间粒径为1.0mm（-5mm）和1.5mm（-8mm）。研究得到以下结论：用粒级较宽的铁矿粉进行连续流化床还原，产品粒度的均匀性很重要，存在一个最佳的锥角使物料粒度偏析最小化，角度越大，粗颗粒将分布在床层的上部；虽然实验中观测到在流化床圆柱部分或最佳锥角的锥型部分，气流速度变化不大，但无论减小或增大锥角，增加气体流速，固体颗粒在流化床中的旋转加强；为了得到粒度分布均匀的产品，随着矿石粒径的增加，锥角应该增大；细颗粒的沿着床壁的下沉是由于径向粒度分布的不均，停留在反应器壁附近的粗颗粒比锥型流化床的中央和中央与器壁的
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中间区域的要多，为了得到均匀的物料产品，延长床中央和器壁之间的区域的溢流管也非常必要。
4.2循环流化床铁矿石直接还原技术
华东冶金学院朱凯荪等人对宝钢纽曼山铁矿流态化预还原的最佳工艺参数进行了研究
[33,34]。结果认为，该矿粉是一种流态化还原性能很好的原料，影响流态化还原的各因素
主次顺序为：温度→气体流速→压力。纽曼山矿粉流态化还原速度的影响很大，其最佳流态化还原温度为850℃；其最佳线速度为0.6m/s。压力的升高也能提高纽曼山矿粉流态化预还原速度，但一般只对还原过程的前期有效，最佳操作压力宜为1.5×l05Pa；随还原剂中CO浓度的增加，由65%增至80%，还原速度加快约10%。
图19 1-反应器；2-热电偶；3-加热炉；4-闸阀；
5-除尘器；6-受料器；7-压差表。
东北大学的方觉等人研究了铁矿石和煤粉混合流化床还原的特点。实验装置如图19所示。试验矿样为南非铁矿，粒度＜1.25mm，实验认为，矿煤混合流化床可通过减少矿石颗粒之间的接触及抑制铁晶须生成的两种措施来有效地防止粘结失流现象。通过混合粒度模型证明1273K以下床内矿石还原的限速环节是表面化学反应，排除了还原速度受外扩散过程控制的可能性，证实了循环流化床中颗粒表面化学反应是控速环节，还原速度是受表面化学反应控制的。
4.3德国Circored和Cireofer法
Circored和Circofer法同是德国鲁奇钢铁公司开发的[35,36]。前者是气基流化床还原法，后者为煤基流化床还原法。核心设备包括一座预还原循环流化床（CFB）（图20）和一座终还原鼓泡流化床（FB）。循环流化床（CFB）的气体流速为普通流化床的10倍以上，由气体带出的颗粒料通过旋风除尘器，返回到流化床反应器中;终还原采用鼓泡流化床，可使固气间逆流原则最为有效，提高煤气利用率。Circored法采用天然气催化裂解制取高氢还原气。
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氢还原为吸热反应，入炉矿粉和还原气都要预热，铁矿粉预热到900℃进入循环流化床参与反应，由于动力学条件的改善，630℃即可反应，矿粉在循环流化床被还原到金属化率65%左右，再进入鼓泡流化床还原到金属化率93%以上，还原铁粉压制成热压块，还原尾气经净化、增氢返回利用。以粒度<10Inln，灰熔点不低于1050℃的煤粉作能源，用1.0～0.3Inln的粉矿作原料，粉矿用烟气加热器预热到800℃，用辅助给料系统将粉煤给入1000℃的气化器内，通过喷氧使煤挥发份和残碳燃烧生成热过程气，并将预热料带入快速循环流化床（CFB）完成高温（（950℃）预还原，气体速度4-6m/s，使还原气与物料的传质、传热条件最佳化，缩短还原时间，预还原金属化率达到70%以上。CFB的热烟气经过净化、传热、脱CO2，增H2后进入鼓泡流化床（FB）终还原，金属化率可达到93%。为确保产品的低脉石、低硫，压块前可先热磁分选。热压块产品成分为TFe为90.4%，Mfe83.2%，C为2.0%，脉石为4.4%，S为0.025%。
图20 Circofer煤还原粉矿的CFB工艺
该工艺的优点是：以流化床为主体设备，直接使用廉价的1.0-0.3mm的粉矿；以煤作一次能源，热能闭路循环，能源消耗低，单位容量产量高。
4.4日本流态化直接还原技术
日本千叶川崎钢铁公司用四种平均粒径分别为30，141，162，101μm、铁品位在60%以上的赤铁矿进行热态循环流态化还原研究[37]。结果表明，在不同温度条件下，反应时间在1小时以内，时间对还原度的影响最大。细粒级物料（30μm）是受表面化学反应控制，而粗粒物料（141，162μm）则受扩散过程和化学反应共同控制。日本爱知名古屋技术研究院用粒径为0.15-0.2lmm、铁品位在65%左右的赤铁矿在鼓泡流化床中合成碳化铁。与常规碳化铁生产工艺相比，采用流化床工艺，反应时间由8-16小时缩短到2.5-5小时，反应速度常数（按一级反应设计）增大了数倍。
日本Tohoku大学新材料研究所开发出了用纯氢还原澳大利亚天然钦铁矿的鼓泡流化床还原装置（如图21）。试验时，还原剂氢气以0.082m/s（由同样的装置在冷态下确定）的表
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观速度从反应器底部流入，通过调节布风板压差来控制矿石颗粒的流化质量，每次在氮气条件下取出反应好的试样0.3-0.4g，放入水中冷却，为了考察还原效果，再将反应好的试样在1000℃的温度下，放入纯氧条件下进行氧化2小时，求出氧化前后的质量差。
1：流量计，2：热电偶，3：压力计，4：电热炉，5：氧化铝球层，6：四通阀，7：固体试样，8：O形密封圈，9：水冷段，10：流化床，11：收尘器，12：记录仪，13：质谱仪
图21 钛铁矿流化床还原装置图
矿石粒径为0.044-0.5mm，其中-0.044mm含量占70%以上，-0.074mm含量占85%以上，反应温度在700-900℃，实验结果表明，在整个还原过程中，化学反应本身的速度和传质速度起决定作用。
日本东京钢铁协会新工艺研究中心试验试样为10-30%的-0.25mm的细粒铁矿石和粒径为几个mm的粗粒铁矿石进行了预还原流化床为鼓泡式流化床。由于处理粗粒铁矿石的需要，在流化床底部为小直径（980mm）致密床，上部分直径为1220mm，装置设有细粒物料循环系统，实验时，床内停留物料为700-2800kg，床内温度400～820℃，床内上部气流速度为2.8-5.5m/s，下部气流速度为1.8-3.5m/s。实验表明，在此类给料条件下，流化指数（U0/Umf）应该大于6。粗粒物料的还原时间为30-60min，虽然流化床在较高的气流速度下运行，但床内压力波动较小，并可通过调节致密床的压力来调整床内负荷。研究表明，当循环率在1-2%时，系统的粗粒物料和细粒物料能达到相同的还原效果。旋风收尘筒的分级效率对铁产量和粉尘的损失影响较大。实验发现，细粒物料的循环对旋风收尘筒粉尘的损失有重要影响，定量分析认为，细粒物料的循环增加了损失率，因此，在考虑还原效果的情况下，应选择最佳的细粒物料的循环参数。
4.5印度流态化直接还原技术
印度科技研究院冶金工程研究中心用粉煤作还原剂，对Kllandband铁矿粉在实验室进行了流化床还原研究[38]。实验装置如图22所示。主要由加热系统和反应炉组成。实验时通入空气，反应完成后，立即将试样投入到装有冷水的炉缸内进行冷却，产品用磁选进行分离，检查产品铁含量。实验所用矿粉为铁品位在66%以上的赤铁矿，粒级为0.353-0.5mm，
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