【新刊速览】宋晓然：等离子体氢还原铁氧化物的研究进展
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摘 要
等离子体氢因其化学活性的优势，迅速成为氢冶金领域的研究热点。目前等离子体氢还原铁氧化物的基础理论研究仍不完善，主要缺少对其微观机理、杂质元素迁移规律等方面的研究。通过对等离子体氢还原铁氧化物的相关研究进行回顾，从热等离子体氢的还原入手，再到冷等离子体氢的还原，对国内外等离子体氢还原铁氧化物的研究方法进行概括，并对等离子体的还原机理和应用进展进行详细分析。结果表明，与氢气还原铁氧化物相比，热等离子体氢和冷等离子体氢在还原过程中更具热力学和动力学优势，并且由于体系中有较高浓度的振动激发分子氢，冷等离子体氢被认为拥有更大的发展潜力。研究结果为后续学者的试验设计提供参考，并为其研究方向提供建议。
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关 键 词
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引 言
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精 选 图 表
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结论与展望
(1)热等离子体氢和冷等离子体氢都可以有效地用于铁氧化物的还原，其体系中的振动激发分子氢、离子氢和原子氢等活性粒子可降低还原反应的活化能，与氢气还原相比，等离子体氢还原在热力学和动力学上均有较大优势。
(2)目前，等离子体还原的研究焦点仍在热等离子体还原上。但热等离子体所需的温度高于铁的沸点和铁氧化物的解离温度，从而使得该温度条件下的化学反应方向和反应稳定性难以控制。如何及时去除反应生成的水蒸气，以避免还原产物的二次氧化也是热等离子体还原的关键难题。冷等离子体还原法可避免上述问题，振动激发分子氢被认为能在低温下还原铁矿石，且具有较高的化学活性。在脱离局部热力学平衡状态的冷等离子体系统中，可以产生较高浓度的振动激发分子氢。因此，冷等离子体氢可在很低的温度下还原铁氧化物，具有更大的发展潜力。但是，关于冷等离子体的还原机理尚未得到深入研究，许多研究还集中于对还原过程宏观现象和结果的定性讨论上，仍需对冷等离子体氢还原过程中潜在的反应步骤、微观机制以及脉石元素对还原的影响等微观机理做进一步探索。
(3)学者们在等离子体还原的试验设计中，均围绕着提高电弧稳定性、增加铁氧化物的反应时间和反应面积、提高反应速率和反应效率等几个方面，对试验方法和设备进行改进。等离子体的还原过程取决于反应温度、气体成分和粒子在反应器内的停留时间等因素，这些因素又取决于反应器内的流体流动、传质传热和矿石颗粒与气流的相互作用。但是现有的试验手段仅停留在对还原过程始末的数据采集和分析，缺少对反应过程的研究。因此，即便许多学者都对其试验方法的经济性进行了判断和优化，但出于技术限制和成本等因素，这些还原方法距离进一步工业化应用仍有很大差距。建议在进行等离子还原新型试验设备开发时，重点解决还原过程中反应器内温度梯度、气体成分等局部信息的监测问题；同时开展等离子体氢还原铁氧化物的仿真模拟研究，为反应过程的流体流动、传质传热等问题提供理论补充，为高效率等离子还原工艺的开发奠定理论基础。
来源：《中国冶金》2022年第12期
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