1 前言

近年来，以天然气为还原剂的竖炉直接还原工艺（DRP）作为高炉替代工艺备受关注，其中以氢为还原剂的氢还原DRP尤其被寄予厚望。然而，氢还原反应存在吸热补偿及渗碳方法等方面的技术难题。

本研究介绍了碳循环DRP（CR-DRP）。该工艺通过碳捕集与利用（CCU）技术将传统DRP排放的CO₂全部再利用，在规避氢还原DRP技术难题的同时，可实现CO₂零排放。本文从CCU工艺CO₂转化率的角度，对CRDRP的可行性进行了评估。

2 试验方法

将DRP与CCU工艺组合为一个闭路系统，从物料平衡出发，计算该系统稳定运行所需的CO₂转化率范围，再与候选CCU工艺的实际转化率水平进行对比，判断工艺是否成立。

CCU工艺采用甲烷化反应，即CO₂与外部补充的H₂反应生成CH₄和水。之所以选择甲烷化，是因为生成的CH₄可在重整器中裂解为H₂和CO，直接作为DRP的还原气组分。

DRP操作参数（还原气单耗、温度、矿石品位、金属化率、渗碳率等）及甲烷化反应的CO₂转化率上限，均参照已有文献报道值取值。

3 结果与讨论

CR-DRP工艺流程如图1所示。DRP排出的炉顶煤气中含CO、CO₂、H₂、H₂O等组分，将其中一部分引入甲烷化反应器，在外部H₂的参与下将CO₂转化为CH₄；甲烷化反应器出口气体与剩余炉顶煤气混合后，送入重整器重新裂解为以H₂、CO为主要成分的还原气体，再鼓入竖炉参与铁矿石还原。系统不足的热量及反应消耗的H2由外部供应补充。

基于表1的假设操作条件进行物料平衡计算，结果如图 2所示。图2展示了为满足甲烷化反应对炉顶煤气中H₂和CO₂的总量要求以及甲烷化反应器中CO₂转化率的要求。转化率过低时，炉顶煤气中CO₂浓度不足以支撑甲烷化反应，而转化率过高则超出现有甲烷化技术的能力上限。两者之间的绿色区间即为CRDRP的可操作区间。

计算表明，CR-DRP要求甲烷化反应器的CO₂转化率为64.8%，低于现有甲烷化技术的转化率上限，证实了该工艺在物料平衡上是可行的。

4 结论

本研究以甲烷化作为CCU手段，对CR-DRP的可行性进行了评估。结果表明，CR-DRP稳定运行所需的甲烷化CO₂转化率为64.8%，低于当前甲烷化技术已达到的转化率水平，物料平衡可成立。这意味着采用甲烷化技术的CR-DRP在技术上可行，该工艺既回避了氢还原DRP在吸热补偿与渗碳方面的难题，又可通过CO₂全量循环实现零排放，为竖炉直接还原工艺的低碳化提供了一条现实路径。