集中太阳能将用于磁铁矿生产

在未来几十年内，清洁能源的使用和CO2排放的控制是新化学过程和新材料生产中最重要的参数。在对节能减排呼声日益高涨的当前，使用清洁能源、减少CO2排放是冶金行业一直研究的环保课题。
最近，一种备受关注的直接还原铁生产方法是使用一种由西班牙国家冶金技术研究中心(CENIM)设计的，安装在阿尔梅里亚太阳能平台(pSA-CIEMAT)上的流化床炉。该炉采用流化床技术，待处理材料悬浮在含有5%H2的N2氛围还原剂的液态气体中，但流化床加热所需的能量来自集中太阳能(ConcentratedSolarEnergy，CSE)，既没有化石燃料的消耗，也不会产生CO2。
该太阳能应用程序允许在不同的化学和冶金过程中获得的高温空气或气体的直接利用，而无电力生产的中间步骤。流程中这种加热气体的直接利用，避免了电力生产、高压转换、电力传输、低压转换和过程中的最终加热应用，因此会在应用太阳能时出现收益的增额。相比于其他平均温度要求低的工业过程，钢铁生产的工艺温度较高，其节能更具潜力。
分类废弃物各个击破
在流化床加热过程中，CSE应用的三个主要目标：①独立的化石燃料供应;②利用自身的自然资源;③在高温工业过程中，减少CO2的产生。
对于高炉矿渣，每吨生铁约产生300公斤炉渣，可应用于土木(建筑)工程。但对于绝大多数冶金过程的剩余废物，仍然没有完全令人满意的解决方案。
高炉熔渣后，第二种最重要的残渣为转炉转换渣(氧气顶吹转炉)。在LD转炉中每制造一吨钢就会产生125公斤炉渣。这些类型的炉渣主要缺点是化学和物理性质不稳定。在碳钢的生产中，只要增加FeO的含量并减少15%的CaO，电炉渣的化学特性就类似于转炉的炉渣。而直接来自于不锈钢、高合金钢生产的电炉熔渣是不同的，从数量上看，可发现约1%的氧化铬、镍、钒、钼或钛。
氧化皮或者轧屑是一种特定的“副产品”，在钢的奥氏体化和热塑性变形(热轧)过程中生成，每吨钢铁伴随生产出约5公斤的氧化皮。
在这些钢铁废料产品中，有来自高炉的粉尘(干式净化)和高炉淤渣(湿式洗涤器)，有在转炉炼钢中产生的LD转炉粉尘及电炉粉尘(电炉EAF)。而飞扬的LD碎屑的特点是具有高比例的FeO，由电炉气体带走的废料具有较高的锌含量。
此研究通过对氧化皮(轧屑)的转化实验，证明在太阳能炉中生产以获得100%的磁铁矿是可行的，它允许通过传统方法获得一种具有特殊磁性能的副产品。这种磁性副产品对密度十分敏感，通常用于以磁分离的方式作为原材料生产精矿。
太阳能将成为回收产品的一个步骤，其制备高含量的Fe3O4且无有害的污染物产生，Fe3O4可以被加入到炼钢过程以制备高品质钢。这一过程已经在西班牙的太阳能炉设备应用时用氧化皮测试过。
太阳能炉的运作机理
太阳能炉用于完成Fe2O3(赤铁矿)向Fe3O4(磁铁矿)的转化，其包含一个用CSE加热的流化床炉，CSE的运行基于安装在阿尔梅里亚太阳能平台(pSA-CIEMAT)的水平轴太阳能炉。
太阳能炉的基本构成为：一个配有120平方米反射面的定日镜，用于追踪太阳的轨迹，且将反射光束重新定向到多层面的抛物面聚光镜;一个衰减器或快门，一个90.5平方米、拥有89个面的多层面抛物面聚光镜;一个蜂巢状的SiC衰减器、一张流化床和一个空气过滤器。
每天早晨，当该装置被连接，定日镜便正对太阳并且跟随太阳的运动，指导反射太阳光束，从位于建筑前壁的衰减器，到位于大楼后壁的多层面抛物面镜子。衰减器或快门，可以旋转每个水平部件来控制入射功率通量。
多层面抛物面反射镜的集中光束到达衰减器并加热蜂巢状材料、碳化硅的表面，温度可高达1100℃。蜂巢形状的碳化硅吸收器由一系列孔洞构成。这些孔洞分布于由很薄的薄壁组成的方形底座上，方形底座位于流化床炉前方。这种设计增大了衰减器的加热面，从而提高了流经孔洞的空气流的热转移。一个位于该装置尾部的真空泵迫使空气通过衰减器，而被加热到900℃~1000℃。
流化床炉是一种双管装置。其内管包含流化团块，其通过热空气穿过墙壁被间接加热，热空气来自于吸收器并流过两管间的顶点。出口的空气依然温暖，用于预热预热器内螺旋管提供的流化空气或气体。这种控制成分的预热流化空气或气体被引入到流化床的内管，在内管中颗粒流化，通过一个由球体关闭的圆锥形通道。这个设计被认为优于其他集中太阳能加热流化床，在该设计中加热要么发生在床的上部，要么通过一个石英窗发生在装置一侧。
在位于环形区域的内流化床管外部的加热空气和通过它预热的流化气体，这两种气体的独立性不仅允许我们利用不同成分的气体工作，还具备流动速率的独立控制。此外，恰好在气体进入流态床之前，独立的温度控制可以由一个气体流化管的次级电预热完成。
用于这项工作的流化气体是混有5%氢气的氮气。对流化气体流量和温度的操作控制，及衰减器开口的大小，被记录在了流化床上。由于鼓泡流化床炉的特征，待处理颗粒的尺寸必须尽可能均匀一致，以避免被吸入从顶部冒出的气体。因此，氧化皮是预先在一个直径为1.5米的造球圆盘上经造块处理过的。
随后，造粒材料在炉内被处理(氧化)至稳定，直到它被完全转化为赤铁矿(Fe2O3)。X射线衍射分析证实，最终获得的产品是100%的赤铁矿。
关闭遮板会导致辐照有所降低。该过程持续几分钟，但对流化床的温度影响不大。温度保持良好的原因在于：赤铁矿具有高比热，因此其可作为一种蓄热体。流化床的这种高温稳定性揭示了其作为反应器的适用性。
在任何情况下，为了防止在最长的加热期间由低日晒导致的温度下降，可以在流化床上配备一个使用气体或电力的并行加热系统，以防止炉内发生任何可能的温降。该流化床炉带有并行加热系统，能够保证一个连续的年度运营时间，这使得太阳热能的使用达到节约能源的目的。
利用太阳能转化磁铁矿
如果氧化皮在露天或非真空气氛中被生产，没有在900℃温度下进行强制空气再循环，则获得的产品将是磁铁矿，即Fe3O4(66%)和赤铁矿，即Fe2O3(34%)的混合物。在操作开始时，最初出现在系统中的还原电位被氧化气氛所抵消，这一点促进了处理结束时Fe2O3的形成。正是在处理之初的这种弱还原气氛，导致FeO的不完全氧化，也保证了大量赤铁矿的产生。此外，在太阳能流化床炉中5%H2的气氛下，由赤铁矿(Fe2O3)产生的磁铁矿(Fe3O4)，在热力学上符合对Fe-H-O系统所作的预测。
以含高百分比磁铁矿的铁原材料所获得的烧结物可显著降低焦炭消耗量，因此太阳能炉可作为一种用来减少需要烧结的铁原材料混合物焦比(焦炭消耗)的工具。在需要烧结处理的铁中，30%的Fe3O4就降低了实现高性能产品所需的焦炭量，少于原本所需焦炭量的16%。
实验采用了两种不同生产方法获得1吨直接还原铁进行成本比较研究，其中第一种方法使用天然气作为还原剂和能量来源;第二种方法中能量来源是天然气，而还原成分则为煤。
结果表明：考虑到建立一个配备有太阳能炉的直接还原铁工厂的成本，并顾及到在这样一个工厂里通过降低能源消耗节省的成本积累来看，应用太阳能流化床炉将具有竞争力。显然，当在太阳能炉中处理铁碳废料时，首先不仅存在一个源于使用更少能量和需要更少铁矿石的成本节约，还与降低消耗密切相关(通过回收废物，这将节省大量的碳)，由此所带来的利润和成本节约较为可观。
太阳能冶金辟新径
CSE是一种在高温下加热流化床的适当方式。CSE加热流化床是一个反应器，其适用于完成氧化皮的还原和能够达到反应温度的其他反应。工业上赤铁矿还原为磁铁矿，可通过CSE完成。如果想要每天工作24小时，则须引入并行加热系统。
随着双重加热实践的进行，就全年来看，如果N2+5%H2混合气体被用作还原剂，除减少CO2排放外，节约能源是显而易见的。据估计，在一个阳光相当充足的位置，将减少20%~30%的CO2排放量。
太阳能炉的使用可以引入到所有类型的化学或冶金学过程中。即使在传统流程中，考虑到采用这种集中器设备得到的温度独立性，CSE可以用于预热助燃空气。与市场上现存的DRI设备相比，虽然在安装太阳能DRI还原设施上要增加投资，但从节省能源成本和原材料(含铁材料和还原剂)方面看，该方法具有一定的优势。
研究表明，在太阳能炉中由钢的副产品(如氧化皮和轧屑)实现赤铁矿向磁铁矿还原是可能的。可以考虑将这一成果应用到炼钢过程中的其他领域，如用作烧结过程配料的铁矿石的部分还原。
由处理氧化皮实验所得数据分析，可以将以下应用纳入到太阳能的使用范围：①把用于烧结过程的铁矿石粉末，主要是Fe2O3，转变为磁铁矿(Fe3O4);②加热供给熔炉的烧结矿(或颗粒)的可能性;③供给BF的烧结或球团铁配料的部分还原;④降低具有高含量碱金属、卤素、硫的烧结粉末来形成磁铁矿，并通过后续的磁选分离出非钢污染物来释放磁铁矿。