一、基本概述
定义:还原炉(reduction furnace)是一种在冶金、化工等领域用于还原反应的工业设备,其核心功能是通过提供适宜的温度、气氛等条件,使原料(如金属氧化物)在还原介质(如氢气、一氧化碳等)作用下被还原为金属单质或低价化合物。大炉型还原炉(large-scale reduction furnace)是指炉膛尺寸更大,通常可容纳数吨至数十吨原料的大容量还原炉。
大炉型还原炉包括多管式还原炉、蓄热式还原炉、多晶硅还原炉、马弗式还原炉、回转式还原炉等多种类型。其中大炉型多晶硅还原炉是主要应用类型。
图1 48对棒多晶硅还原炉示意图
二、分类信息
三、详细解释
大炉型还原炉适用于大规模工业化生产,其大型化设计可实现单炉产能提升30%-50%,单位产品能耗降低15%-20%。大炉型还原炉通常以“对棒”数量来衡量其规模,对棒数与炉膛容积和设备处理能力正相关。其容纳的对棒数越多,炉体规模越大,单位时间内的还原处理量越高,越适用于更高产能要求的连续化工业生产。目前市场上的主流大炉型还原炉包括40对棒、48对棒和72对棒三种型号。
图2 还原电耗随硅棒对数变化关系
大炉型还原炉作为冶金、化工等产业领域的关键设备,与钢铁、有色金属、新能源材料等产品的生产紧密相连。其设备结构功能复杂,具备高温还原,集成了智能控温、气氛调节等多元系统。该设备兼具高效生产与节能减排的双重特性,是推动工业规模化发展的核心装备,也是实现绿色制造的重要载体。
在“双碳”目标背景下,大炉型还原炉的发展遵循绿色低碳与技术创新原则,推动了工业领域的可持续发展。通过优化工艺和采用清洁能源,显著降低单位产品能耗和污染物排放,替代传统高耗能设备,从而减少对化石能源的依赖。目前,结合绿电使用及氢基还原工艺,电加热型大炉型还原炉已经实现了产业化示范。
四、应用领域/前景
大炉型还原炉因其高生产效率、较低能耗和低碳工艺,在冶金、化工、新能源等领域展现出重要作用。在冶金工业领域,大炉型还原炉已规模化应用于直接还原铁生产、有色金属氧化物还原提纯,以及高品质海绵钛、高纯镍粉等特种金属材料的制备,有效替代传统高耗能冶炼工艺,降低金属生产过程中的碳排放。在化工催化领域,大炉型还原炉可用于制备高性能加氢催化剂、环保脱硫脱硝催化剂,通过还原工艺提升催化剂活性和稳定性,推动化工行业绿色升级。在新能源材料领域,大炉型还原炉可用于锂电池正极材料前驱体的还原处理、氢燃料电池催化剂的合成,通过精准控温与气氛调节,保障材料性能一致性,为新能源产业发展提供技术支撑。此外,在环保领域,大炉型还原炉可用于电子废弃物中金属的还原回收,助力资源循环再利用。
大炉型还原炉产业未来可通过开发并集成氢能冶金专用设备、智能化控温还原系统等高附加值装备,实现工业生产低碳化转型,可使单位产品CO₂排放降低70%以上,减少对煤炭等化石能源依赖。通过与可再生能源结合,利用绿电、绿氢实现零碳还原,为钢铁、有色等行业绿色转型提供技术支撑。
政策驱动将加速其技术迭代,例如国家“双碳”目标及工信部联节〔2022〕88号文件《工业领域碳达峰实施方案》明确要求推广高效节能装备,这将促进大炉型还原炉的发展,降低产业生产成本,提升产业竞争力。
五、绿色应用难点
尽管大炉型还原炉的绿色化潜力显著,但其在智能化与低碳化转型方面仍面临诸多挑战。部分企业虽然采用大炉型还原炉,但仍沿用传统操作模式,设备自动化控制率低,难以实现工艺参数的精准调控,导致能源浪费和产品质量波动。在低碳技术应用方面,氢基还原等绿色工艺的规模化推广受限,氢气储存运输成本高、设备改造成本大,全国范围内氢基大炉型还原炉示范项目不足20个,占比不到总设备数量的3%,距离全面替代传统工艺仍有较大差距。
本词条贡献者:
董文钧,北京科技大学材料科学与工程学院教授
本词条审核专家:
闫柏军,北京科技大学冶金与生态工程学院教授
参考来源:
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