准连续高纯铁生产的低温电解平台：基于旋转阴极的免拆卸反应器设计与技术经济性评估

《Chem Circularity》：Highly efficient electrolysis platform for quasi-continuous high-purity iron production

　　

专业术语翻译摘要 铁生产是现代基础设施的基石，但仍是工业温室气体排放的主要来源。传统高炉-碱性氧气转炉（BF-BOF）炼铁工艺在超过1,500°C的温度下运行，依赖碳基还原剂，导致大量能源消耗和CO2排放。包括氢基直接还原和熔融氧化物电解（MOE）在内的替代方案为减排提供了路径，但面临可再生氢成本与基础设施或高温运行的挑战。低温电解（LTE）提供了一条替代路线，可在约100°C的浓碱性电解液中还原铁氧化物，无需碳基还原剂即可生产金属铁。然而，现有LTE系统主要采用静态、分批式电解槽，需取出阴极进行产物收集，限制了工艺连续性和可扩展性。在此，研究人员设计了一种带旋转阴极的隔膜电解槽，可从铜冶炼烟尘（CSD）——一种富含Fe2O3的工业副产物——中准连续生产铁。旋转碳布阴极使铁回收和原料补充无需拆解电解槽即可实现。在四个连续循环中，泵出产物和留存产物均实现了高铁纯度和高电流效率。技术经济分析和生命周期评估进一步表明，与传统BF-BOF炼铁相比，该工艺具有潜在的经济优势和温室气体减排优势。该方法将废物资源化与低温电化学铁生产相结合，为更连续、可扩展和资源高效的炼铁提供了一条途径。

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研究背景与问题

铁生产是现代基础设施的支柱，2025年全球生铁产量约达13.7亿吨，铁矿石市场规模约3,000亿美元，预计到2034年将攀升至约4,250亿美元。当前全球约90%的铁产量来自高炉-碱性氧气转炉（BF-BOF）工艺，该工艺在超过1,500°C的温度下利用焦炭产生的CO还原Fe₂O₃，每吨粗钢排放1.8–2.2吨CO₂，全球年排放约35–40亿吨CO₂，钢铁生产贡献全球人为CO₂排放的7%–9%。氢基直接还原（H₂-DRI）虽可显著减排，但受限于可再生氢的高成本及氢的生产、储存和运输难题；熔融氧化物电解（MOE）虽无CO₂排放，但需在1,600°C以上运行，材料、能源和成本约束严重阻碍其工业应用。低温电解（LTE）在约100°C的浓碱液（>40 wt% NaOH/KOH）中将Fe₂O₃还原为金属铁，阴极产生金属铁、阳极产生O₂而非CO₂，在非化石电力驱动下可实现根本性无碳炼铁。然而，现有LTE系统多为静态分批式电解槽，产物收集需频繁取出阴极，时间效率低且限制了规模化。因此，亟需开发一种无需拆解电解槽即可实现准连续铁生产的新型电解槽架构。

研究内容与结论

研究人员设计了一种带旋转阴极的隔膜H型电解槽，以铜冶炼烟尘（CSD）为原料实现准连续铁生产。该电解槽由隔膜分隔的阴极室和阳极室组成，阴极采用碳布包裹石墨棒的可旋转设计，阴极室底部配备管道阀组件，可实现产物回收和原料补充而无需拆解电解槽。通过四个连续批次引入铁氧化物浆料，每批电解前收获产物，第四循环完成后收集最终产物。泵出产物和留存产物的铁纯度均超过95 wt%，电流效率超过91%，与单批次操作相当甚至略优于静态电解槽。技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）表明，在最优条件下该工艺的平准化成本为520美元/吨热轧卷（HRC）钢，温室气体排放约1,660 kg CO₂e/吨HRC钢，均优于传统BF-BOF工艺（660美元/吨和2,590 kg CO₂e/吨HRC钢）。

主要技术方法

研究人员采用COMSOL Multiphysics 6.2有限元软件建立了静态电解槽和H型电解槽的二维模型，耦合了三次电流分布（Tertiary Current Distribution）、Nernst-Planck方程以及自由和多孔介质流动（Free and Porous Media Flow，含Brinkman方程）物理场，模拟电解过程中的电位分布、电流密度分布和流体流动。产物表征综合运用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）截面分析、M?ssbauer谱学、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和燃烧红外检测（CID）等手段。经济与环境评估采用基于贴现现金流回报率（DCFROR）分析的技术经济评价和基于R&D GREET 2025模型的生命周期评估。原料为铜冶炼烟尘（CSD），主要产自美国犹他州和亚利桑那州。

研究结果

静态电解槽产物分析与模拟

XRD分析显示静态电解槽产物仅检测到金属Fe的特征峰，无杂质峰。SEM显示产物为1–10 μm的不规则棱柱状颗粒，EDS显示Fe信号占主导，仅含微量氧。FIB-SEM截面分析表明Fe在颗粒内部均匀分布，氧仅存在于颗粒表面。M?ssbauer谱显示金属Fe占总铁物种的96.6 mol%，Fe₂O₃和Fe₃O₄均低于0.1 mol%，3.4 mol%的铁以Fe³⁺形式存在于其他未鉴定化合物中，可能来自Fe₂O₃在碱性电解液中溶解生成的针铁矿（α-FeOOH）。综合计算得金属Fe含量为95.26 wt%，电流效率为87.52%，还原度为95.40%。模拟结果表明，静态电解槽中电解液电位从阴极-隔膜界面（约?0.75 V）向阴极中心（约?0.78 V）显著下降，而电极电位从?1.7 V升至?1.65 V，导致局部电化学驱动力从界面处的?0.95 V衰减至中心处的?0.87 V。电流密度高度集中于阴极-隔膜界面（约1,250 A/m²），在阴极中心急剧衰减至约0.02 A/m²。这种严重的电流分布不均和传质受限是静态电解槽几何结构的固有限制，导致Fe³⁺物种未被完全还原。

H型电解槽产物组成与模拟（单批次模式）

XRD显示H型电解槽单批次产物仅含金属铁峰，无Fe₂O₃、Fe₃O₄或其他杂质峰。SEM显示微米级不规则颗粒，EDS显示均匀的Fe信号和少量O贡献。FIB-SEM截面分析证实Fe在整个颗粒内部均匀分布，无氧化物富集核心或部分还原区域。M?ssbauer谱显示金属Fe几乎占全部铁物种，Fe₂O₃、Fe₃O₄及其他含铁物相均低于0.1 mol%，转化效率约100%。综合计算得金属Fe含量为97.08 wt%，电流效率为92.11%，还原度为100%，均优于静态电解槽。模拟结果表明，H型电解槽的电解液电位和电极电位分布高度同步，局部电化学驱动力在整个阴极区域保持 remarkably 均匀（阴极中心?0.9 V，阴极-隔膜界面?0.89 V），从根本上解决了静态电解槽的动力学瓶颈。H型电解槽阴极中心区域的最小电流密度维持在约100 A/m²，远高于静态电解槽的约0.02 A/m²。流体动力学模拟显示，圆柱形电极的旋转运动维持了约2.5×10^?2 m/s的强对流流场，有效消除了离子停滞，OH^?浓度梯度极窄（约1.83–1.84×10⁴ mol/m³），整个电解液主体保持近乎均匀的化学环境。

间歇模式

研究人员将单批次模式升级为间歇模式，通过四次连续循环的产物泵出和新鲜浆料补充，共获得五个产物样品：四个泵出馏分（load 1–load 4）和一个留存粉末。XRD显示load 1–load 4仅含金属铁峰，留存粉末除金属Fe主峰外还检测到少量Fe₃O₄峰。M?ssbauer谱显示load 1中所有含铁物种均为金属Fe，留存样品中金属Fe占98.1 mol%，Fe₃O₄占1.9 mol%。load 1和留存样品的金属Fe纯度分别为97.58 wt%和95.16 wt%，电流效率分别为93.72%和91.48%，还原度分别为100%和98.29%。三种电解槽对比显示，间歇模式（泵出）的稳态占空比达82.1%，高于静态电解槽的64.2%，电流密度稳定在666.77 A/m²，产率达到2.99 g/h，预计1,000小时可产铁约2.99 kg，展现出良好的规模化潜力。

过程建模、技术经济分析与生命周期评估

研究人员基于Aspen Plus设计了年产100万吨热轧卷（HRC）钢的电解-EAF-HRC一体化工厂概念模型。该工厂包含铁生产段（CSD通过电解还原为纯铁）和下游炼钢段（电弧炉EAF将还原铁转化为HRC钢）。技术经济分析表明，基线条件下（零原料成本、计入O₂销售）LCOS为948美元/吨，高于BF-BOF-HRC（658美元/吨）和天然气基直接还原-EAF-HRC（618美元/吨），主要受高电价和频繁阴极更换驱动。但计入CSD垃圾处理费抵扣（50美元/吨，产生82美元/吨信用）和O₂气体销售（24美元/吨）后，LCOS降低84美元/吨。敏感性分析显示，低成本电力（0.03美元/kWh）加原料信用可将LCOS降至686美元/吨；阴极更换成本降低50%可降至723美元/吨；最优条件下（低成本电力+耐用阴极+原料信用）LCOS可达极具竞争力的545美元/吨。生命周期评估显示，使用美国电网电力时系统排放1,660 kg CO₂e/吨HRC，远低于BF-BOF-HRC（2,592 kg CO₂e/吨）和DRI-NG-EAF-HRC（2,046 kg CO₂e/吨）；改用核电力后排放骤降至250 kg CO₂e/吨，较BF-BOF-HRC和DRI-NG-EAF-HRC分别减少90%和88%。系统水耗为2,343加仑/吨，高于传统工艺，主要归因于电解过程的电力密集特性。

讨论与结论

研究人员成功展示了一种带旋转阴极的免拆卸电解槽，有效克服了传统分批式低温电解的操作瓶颈。通过实现无需拆解电解槽的准连续原料补充和产物收集，该架构在连续进料循环中稳定实现高铁纯度（>95 wt%）和电流效率（>91%），略优于静态基准且大幅提升操作通量。技术经济分析识别了当前技术阶段的关键成本驱动因素（电费和阴极更换成本），并强调了通过获得原料信用、降低阴极更换成本或降低电费实现经济可行性的巨大潜力。生命周期评估证实了显著的环保效益，温室气体排放减少36%–90%（使用电网电力或核电力），使该流动电解槽技术成为碳密集型传统方法的可行替代方案。这种可扩展的连续电解策略弥合了实验室规模创新与工业部署之间的关键差距，为脱碳钢铁生产提供了一条变革性、成本效益高且可持续的路径。