物化原理       直接還原法中使用的氣體還原劑是CO和H₂，CH₄由于析碳特性而不能直接應(yīng)用。CO及H₂還原氧化鐵的熱力學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。Fe₂O₃是不穩(wěn)定的化合物，用CO或H₂還原Fe₂O₃可在任何溫度下進(jìn)行，甚至在1500℃下自動(dòng)分解成Fe₃O₄及O₂?？梢哉J(rèn)為Fe₂O₃的還原反應(yīng)是不可逆的。Fe₃O₄與FeO是較穩(wěn)定的化合物，還原反應(yīng)在一定溫度下達(dá)到平衡?；蛘哒f(shuō)需要比化學(xué)計(jì)量更多的煤氣量才能把還原反應(yīng)進(jìn)行到底，如按下式：

                       FeO+nCO一Fe+CO₂+(N-1)CO

還原每摩爾FeO時(shí)，CO增加的比值n可用下式計(jì)算：

                            n=1+1／K_e

式中K_e為反應(yīng)平衡常數(shù)，可自表2列出的公式中計(jì)算出。

直接還原法生產(chǎn)中，鐵礦石的還原速度因直接關(guān)系到生產(chǎn)率而更有實(shí)際意義。還原速度可根據(jù)理論模型計(jì)算分析，但比較復(fù)雜且不準(zhǔn)確。一般情況下鐵礦石還原速度可用下列復(fù)合動(dòng)力學(xué)控制模型加以描述：

式中v_R為鐵礦石還原速度，％／m；r為鐵礦石還原度，％；k_c為決定于鐵礦石及還原氣體性質(zhì)的還原速度系數(shù)；E為還原反應(yīng)活化能；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K；P為氣氛壓力；n為反映壓力效應(yīng)的系數(shù)；C_A為還原性氣體濃度；C_B為氧化性氣體濃度；K_e為還原反應(yīng)平衡常數(shù)。實(shí)際還原速度還受上述公式中各因素在反應(yīng)器中的分布特性的影響，因而實(shí)際還原速度是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。一般情況下對(duì)還原速度起重要影響的因素是：(1)溫度。溫度能有效地促進(jìn)還原反應(yīng)。當(dāng)鐵礦石的還原過(guò)程處于600～900^oC溫度水平時(shí)，每升高100℃約使還原速度提高50％。

(2)煤氣成分。H₂還原氧化鐵的速度比CO大6～10倍，增加還原煤氣中H₂的比例有利于還原，但CO還原鐵礦石是放熱反應(yīng)，H₂還原鐵礦石是吸熱反應(yīng)，過(guò)多的H₂還原可使?fàn)t料溫度降低而阻礙還原。因此還原煤氣中H₂／(H₂+CO)比值為一定數(shù)值時(shí)(約為15％～30％)煤氣還原能力最強(qiáng)。N₂則稀釋還原氣體濃度而降低還原速度。

(3)鐵礦石粒度?？s小鐵礦石粒度有利于還原反應(yīng)加快進(jìn)行，但粒度縮小到一定程度后，改善還原的效應(yīng)就減少。如粒度過(guò)小(如<0.2mm)，粒度促進(jìn)還原的效果甚至消失。

分類       氣基直接還原法中還原氣體與固體爐料在不同運(yùn)動(dòng)形式下進(jìn)行反應(yīng)而構(gòu)成各種工藝方法：移動(dòng)床法，固定床法，流化床法和滾動(dòng)床法。

移動(dòng)床法      固體爐料自上向下靠自身重量移動(dòng)，而煤氣自下向上與爐料形成逆流運(yùn)動(dòng)。這就是各種直接還原豎爐的基本工藝特點(diǎn)。在逆流移動(dòng)床過(guò)程中高活力的新煤氣與活力低的爐料反應(yīng)，而低活力的煤氣與高活力的爐料反應(yīng)，煤氣能量得以充分利用。因此豎爐直接還原法具有高的能量利用效率。還原每噸金屬鐵能耗為12～13.5GJ；生產(chǎn)率高達(dá)10t／m³•d，產(chǎn)品金屬化率95％以上。但是移動(dòng)床過(guò)程的操作溫度受到爐料黏結(jié)溫度的限制，一般只能在900℃以下操作，操作溫度過(guò)高將發(fā)生爐料黏結(jié)而影響爐料順利下降。氣基豎爐法是當(dāng)前直接還原法的主要生產(chǎn)方法，已開(kāi)發(fā)的氣基豎爐法有維伯爾法，阿姆科法，普羅費(fèi)爾法，Nibon     Steel法，米德萊克斯法等多種方法。但只有米德萊克斯法大量應(yīng)用于生產(chǎn)。

固定床法     固體爐料固定不動(dòng)，而煤氣在垂直爐料方向穿過(guò)料層。這種還原方式煤氣能量利用程度比逆流移動(dòng)床要差，而且產(chǎn)品還原度不均勻。噸金屬鐵能耗為15～18GJ，生產(chǎn)率約3～4t／m³•d，產(chǎn)品金屬化率較低約為85％～90％。但此法工藝及設(shè)備均簡(jiǎn)單易行，而且操作溫度不受鐵礦石粘結(jié)溫度的限制。因?yàn)榭梢栽谶€原后停氣強(qiáng)迫卸料以克服爐料的粘結(jié)。由于操作溫度高達(dá)1100～1200℃，固定床法生產(chǎn)率不低，而產(chǎn)品含碳較高，約1％～2％。希爾法是這類方法的典型。

流化床法     煤氣在較高氣流速度下吹松爐料，使?fàn)t料處于似流體狀態(tài)下與煤氣反應(yīng)。這種還原方式工藝技術(shù)較為復(fù)雜，生產(chǎn)指標(biāo)也較差。但能直接利用細(xì)粒礦粉是其最大特點(diǎn)。流化床法曾實(shí)驗(yàn)了多種方法，但只有菲奧爾(Fior)法形成實(shí)際生產(chǎn)能力。此法噸金屬鐵能耗為18～20kJ，生產(chǎn)率lt／m³，產(chǎn)品金屬化率85％。

滾動(dòng)床法     鐵礦石爐料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)滾動(dòng)前進(jìn)，而煤氣自爐體燒嘴噴入，再加其他燃油或煤炭輔助能源的一種半氣基直接還原法，只有AccAR法在北美和印度應(yīng)用過(guò)。此法已改為以煤為主要能源的回轉(zhuǎn)爐法。

冶金還原煤氣      直接還原使用的煤氣要求還原性氣體成分高(CO+H₂>60％)，氧化性氣體成分低或煤氣氧化度η值小：

                         η=(CO₂+H₂O)/(CO+H₂+CO₂+H₂O)

且煤氣碳?xì)浠衔锖坎荒苓^(guò)高，如CH₄<3％，因?yàn)樘細(xì)浠衔锏奈鎏甲饔每墒巩a(chǎn)品增碳并阻塞氣流順利通過(guò)爐料。煤氣中H₂S含量<0.1％，因?yàn)楦吡蛎簹馐巩a(chǎn)品增硫，并毒化煤氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的催化劑。

還原煤氣的制造        符合要求的煤氣在自然界中是不存在的，必須用人工制造符合要求的冶金還原煤氣。制取冶金還原煤氣的一次能源主要用天然氣，理論上也可以用其他燃?xì)?、石油和煤炭，但由于?jīng)濟(jì)或技術(shù)原因而很少應(yīng)用。表3為氣基直接還原法一次能源的典型成分，表4為用這些燃料制出的冶金還原煤氣成分。制造還原煤氣的過(guò)程就是把燃?xì)庵械?/span>CH。轉(zhuǎn)化成H₂和CO，因?yàn)槊簹廪D(zhuǎn)化后在高溫狀態(tài)直接送入豎爐，因此要求高效率的保持化學(xué)計(jì)量比的轉(zhuǎn)化過(guò)程，以保持煤氣中CH₄含量在限量以內(nèi)。

直接還原過(guò)程中使用3種天然氣轉(zhuǎn)化法：

(1)直接燃燒法。用氧氣燃燒一部分CH₄并放出熱量：

           CH₄+2O₂=CO₂+H₂O+802kJ

燃燒反應(yīng)放出的熱量供另一部分CH₄依下列方式在同一反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化：

            CH₄+H₂O=CO十3H₂—206kJ

用這種方法制出的煤氣氧化度高，但由于其設(shè)備簡(jiǎn)單而被希爾法采用。

(2)換熱式蒸氣轉(zhuǎn)化法。在換熱式管狀轉(zhuǎn)化器中，借助于觸媒的作用，在800℃左右進(jìn)行以下轉(zhuǎn)化反應(yīng)：

          CH₄+H₂O=CO+3H₂

          CH₄+CO2=2CO+2H₂

此法能連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)直接還原豎爐需要的合格還原煤氣，已被大多數(shù)直接還原豎爐采用。但此法反應(yīng)管及觸媒價(jià)格昂貴，為防止觸媒中毒還必須嚴(yán)格限制原料天然氣的含硫量小于3mg／m³。

(3)蓄熱式蒸氣轉(zhuǎn)化法。在兩個(gè)蓄熱式轉(zhuǎn)化爐中交替進(jìn)行爐子加熱和下列煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)：

         CH₄+H₂O=CO+3H₂

         CH₄+CO₂=2CO+2H₂

此法轉(zhuǎn)化反應(yīng)在較高溫度(1000～1050℃)進(jìn)行，也使用轉(zhuǎn)化觸媒，因而煤氣轉(zhuǎn)化充分，制出的煤氣質(zhì)量高，對(duì)原料煤氣含硫不限制。但此法設(shè)備昂貴龐大，生產(chǎn)不連續(xù)，煤氣成分與溫度波動(dòng)，操作麻煩，維護(hù)困難，只有普羅費(fèi)爾法采用。

還原煤氣需要量        煤氣在氣基直接還原法中有3個(gè)作用：還原劑、載熱體與爐料運(yùn)動(dòng)介質(zhì)。氣基直接還原法需要的煤氣量與過(guò)程形式有關(guān)，移動(dòng)床法與固定床法所需煤氣量，取決于熱量需要與還原需要兩者中較大的一項(xiàng)，流態(tài)化法取決于爐料運(yùn)動(dòng)的需要。

(1)還原劑需要量。還原劑需要量V_R(m³／t)決定于物料平衡：

式中CO，CO₂，H₂，H₂O，CH₄為還原煤氣中相應(yīng)煤氣成分，％；K為CO和H₂還原鐵礦石的加權(quán)平均平衡常數(shù)；m為鐵礦石鐵氧化物中的鐵、氧原子比。對(duì)逐級(jí)還原如豎爐按FeO計(jì)m取1，因?yàn)橄虏?/span>FeO還原后的煤氣成分仍可用于還原Fe₃O₄和Fe₂O₃對(duì)固定床和流態(tài)化床各鐵氧化物是同步還原，m按鐵礦石實(shí)際成分的Fe、O比取值。按上式，還原煤氣量還決定于平衡常數(shù)K_e，而K_e與溫度和煤氣成分有關(guān)。圖中給出了煤氣還原劑需要量與各因素的關(guān)系。

(2)熱載體煤氣需要量。熱載體煤氣需要量V_h(m³／t)決定于氣基還原法的熱平衡，由下式?jīng)Q定：

式中ΔH_H2，ΔH_CO分別為用H₂或CO還原鐵礦石到產(chǎn)品金屬化時(shí)的反應(yīng)熱，kJ／kg；C_Fe,Cg分別為鐵及煤氣的比熱容，kJ／kg•℃，kJ／m³•℃；t_Fe,t⁰_g,t’_g分別為直接還原鐵出爐溫度、煤氣入口溫度、煤氣出口溫度，℃。

(3)爐料運(yùn)動(dòng)需要的煤氣量。爐料運(yùn)動(dòng)需要的煤氣量只在流態(tài)化法中有實(shí)際意義。此煤氣量可根據(jù)流化爐料的煤氣速度求出。煤氣流化速度。則有多種經(jīng)驗(yàn)公式可應(yīng)用，如下式：

氣基直接還原產(chǎn)品質(zhì)量控制           主要控制還原度即金屬化率、含碳量以及脫硫。

金屬化率      氣基直接還原法產(chǎn)品金屬化率均可達(dá)到90％以上，如有需要豎爐直接還原法可生產(chǎn)金屬化率95％以上的產(chǎn)品。

含碳量        氣基直接還原法產(chǎn)品含碳量決定于操作溫度及還原氣CH₄含量?jī)蓚€(gè)因素，因?yàn)楹＞d鐵的滲碳過(guò)程首先是CH₄在鐵表面析碳：

                         CH₄=C_S+CO₂

析出的表面碳C_S再由表面碳與鐵內(nèi)部碳的濃度差推動(dòng)進(jìn)行碳的擴(kuò)散，擴(kuò)散速度v_D

                        v_D=D_S(C_S-C_B)/d_x

式中v_D為碳擴(kuò)散速度；C_B為碳的海綿鐵體積濃度；d_x為碳擴(kuò)散距離。由于CH₄的分解及碳的擴(kuò)散均隨溫度

升高而加速,因此溫度提高也能增加直接還原鐵的含碳量。

脫硫量    還原氣中的H₂有很好的脫硫能力，含H₂較高的還原氣都很好脫硫。但氣基直接還原法對(duì)鐵礦石原料原始含硫量要求仍很嚴(yán)格，這主要是因?yàn)楸苊馍傻?/span>H。s對(duì)煤氣轉(zhuǎn)化觸媒的毒化和對(duì)管件的腐蝕。因此氣基直接還原法生產(chǎn)的直接還原鐵含硫量均較低。

發(fā)展趨勢(shì)       由于受天然氣能源限制，氣基直接還原法只在有天然氣資源的國(guó)家和地區(qū)發(fā)展。為了進(jìn)一步發(fā)展氣基直接還原法，有3個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)值得注意：(1)開(kāi)發(fā)煤制氣的豎爐法。這是中國(guó)及其他一些缺乏天然氣資源而又需要廢鋼的地區(qū)開(kāi)發(fā)研究的課題。已經(jīng)有一些把豎爐法與水煤氣法、：Kopper—Tozek氣化法、Lurge氣化法和電熱煤氣化法相配合的流程提出討論和進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。但都由于煤氣化工藝的缺陷及基建費(fèi)用過(guò)高而未能成功。(2)節(jié)約煤氣能源消耗。盡可能減少煤氣能源消耗是現(xiàn)有直接還原豎爐的技術(shù)改革方向，希爾法(Ⅲ)豎爐通過(guò)煤氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)余熱回收和CO₂脫除的應(yīng)用已把豎爐工序能耗降低到(10～12)×10⁶kJ／t。(3)天然氣不轉(zhuǎn)化豎爐。天然氣轉(zhuǎn)化工序設(shè)備昂貴，轉(zhuǎn)化觸媒易被煤氣中的硫毒化失效，故轉(zhuǎn)化工序是以天然氣為能源的直接還原豎爐的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。研究不轉(zhuǎn)化天然氣豎爐是十分有意義的。委內(nèi)瑞拉的AR：EX—SBD已做了成功的嘗試。