氢冶金是实现低碳排放目的有效方法，为探索铁焦在富氢高炉中的应用，本文系统研究了铁焦在CO₂和H₂O(g)+CO₂气氛中的初始气化温度及其与焦炭的共气化反应机理。以焦煤和铁矿粉为主要原料，在实验室制备适用于富氢高炉气氛的铁焦。 采用焦炭反应性(CRI)和反应后强度(CSR)测试了铁焦的性能，并通过SEM和XRD讨论了铁焦与焦炭气化过程中物相和形貌的演变。实验结果表明，在CO₂和H₂O(g)气氛下，随着铁矿粉含量的增加，铁焦的初始气化温度降低；在40vol%H₂O+60vol%CO₂气氛下，添加3wt%铁矿粉的铁焦CRI达到58.7%，CSR达到56.5%。 由于铁的催化作用，铁焦的反应能力大于焦炭，铁焦优先气化而导致CRI降低，铁焦和焦炭共气化时CSR增加。铁焦可以保护焦炭的骨架功能。

欧盟(EU)的目标是在2050年实现碳中和，目前，炼钢行业仍然是欧洲主要的二氧化碳排放行业之一，其排放量占欧盟二氧化碳排放总量的4%。因此，为了避免二氧化碳的产生，使用氢气还原铁矿石生产直接还原铁(DRI)受到了越来越多的关注。我们之前的研究显示，在还原过程中由于磁铁矿颗粒表面会形成致密的铁壳，使其表现出较差的流化性和还原性。磁铁矿预氧化处理后，会显著改善它的流化性。本文探究了不同预氧化温度和预氧化程度对磁铁矿颗粒在氢基流化床内流化和还原行为的影响。通过光学显微镜和电子扫描显微镜（SEM）表征了还原后颗粒的显微结构和形貌，并探究了还原过程中的动力学反应机理。结果表明，较高预氧化温度（1000°C）处理后的磁铁矿颗粒表面较为平坦，表现出较好的流化行为。较低预氧化温度（800°C）处理后的磁铁矿颗粒表面形成显著的赤铁矿晶须，其流化性有所降低；但其表现出更好的还原性，特别是在还原后期。磁铁矿的预氧化程度对流化和还原行为没有明显影响。动力学分析表明，较高预氧化温度处理后的磁铁矿颗粒，在还原后期，其还原速率受铁离子扩散速率影响。较低的预氧化温度能改善铁离子的扩散，进而提高还原后期的反应速率。

由于使用含碳物质作为铁矿石还原的还原剂以及燃料，钢铁生产过程排放了所有工业二氧化碳排放量总和的三分之一，使其成为全球变暖的关键驱动因素。因此，众多研究工作旨在研究用绿色氢气代替含碳还原剂还原铁矿石。氢基直接还原是一种有吸引力的加工技术，因为直接还原炉在钢铁行业中已被广泛应用，虽然目前甲烷和一氧化碳作为主要还原剂。相比于碳基还原剂，氢气在竖炉球团团聚体的扩散速度快得多。然而，对于大量钢铁生产需求，氢基直接还原的还原动力学仍然非常缓慢，并且氢气消耗量大大超过了化学计量所需的量。因此，本研究的重点是更好地理解铁矿石球团空间梯度、形貌和内部微观结构对氢基直接还原过程中还原效率和金属化率的影响。为此，本研究工作使用了同步辐射加速器高能X射线衍射和电子显微镜以及电子背散射衍射和能量散射X射线谱技术对商业化直接还原球团矿进行了研究。本研究揭示了不同相界面、自由表面及其相关的成核和生长机制的相互作用，为开发快速高效、更适合氢基直接还原的铁矿石球团提供了基础。