诚信为基 技术领导，成为受尊重的企业
14
2023
-
09
添加碳对还原性气氛下低品质磁铁矿直接还原行为的影响（1）
关键词:
来源：公司内部
1. 简介
随着对能有效应对全球变暖和二氧化碳排放的生产方法的需求，电弧炉（EAF）炼钢再次受到关注。为了应对电炉炼钢行业预期的大幅增长，有必要寻找替代铁源来弥补优质废钢的短缺，而直接还原铁（DRI）就是一个非常可能的替代铁源。最近，针对 EAF 流程中使用 DRI 所需的操作变化进行了许多研究。预计在不久的将来对 DRI 的需求将会增加，因此需要更高效的生产技术。
DRI的生产工艺大致可分为两类：气基工艺和碳基工艺。虽然与碳基工艺相比，气基工艺的 DRI 生产更具优势，但气基 DRI 生产需要大量碳氢化合物燃料（如液化天然气）进行直接还原。除非适当建立进料和还原气体的逆流流动，否则还原效率可能会大大降低。因此，在液化天然气供应短缺和回转窑等反应器效率低的情况下，碳基工艺可能更为合适。
另一方面，目前优质铁矿石开采量不足，面临枯竭问题，因此，研究在 DRI 生产中利用磁铁矿等低品质铁矿石的创新技术显得尤为必要。通常，固体含碳材料（如煤）与铁矿石结合成球团，以实现更高效的固-固反应。在复合碳球团还原的初始阶段，CO气体的排放会造成球团中含有大量的孔隙。如果随后引入还原性气体，碳基还原的孔隙率可以增强气体的传质并提高气体基还原中还原反应的净速率。另一方面，当碳基还原中存在过量的碳时，还原铁的熔点会因渗碳而降低。由于铁水可能相互粘附，耐火材料也可能粘附，因此在回转窑中直接还原时应避免形成铁水。
因此，寻求碳基还原的优化条件来补充气体还原是有意义的。在本研究中，采用碳基还原辅助的混合气体还原法进行了铁矿球团直接还原实验。
2. 材料和方法
2.1. 样品制备
选择磁铁矿和无烟煤作为铁矿石和煤炭的原料，其成分如表1所示。将每种材料在盘磨机中粉碎，并在 383 K 的箱式炉或烘干机中彻底干燥 48 小时以上。随后，使用筛子将两种材料分为几个尺寸组。为了正确模拟尾矿磁铁矿细颗粒的实际情况，将铁矿石和煤粉分为三个粒度组：32-53μm（S）、53-74μm（M）和74-105μm（L）。使用光学显微镜分析，估计每组的平均尺寸分别为43μm、64μm和91μm，并且根据光学观察对这些平均值进行半定量验证。
表 1. 本研究中使用的铁矿石和煤的成分
| 磁铁矿 | t-Fe | Fe3O4 | Fe2O3 | MgO | SiO2 | CaO |
| 43.5% | 53.7% | 6.6% | 15.1% | 17.7% | 4.3% | |
| 无烟煤 | F.C. | V.M. | Ash | |||
| 58.9 | 6.5% | 34.7% |
由于53-74μm组的无烟煤数量不足，因此仅使用其他两个尺寸组的煤。为了确定碳复合材料作为补充预还原的最佳条件，碳当量（代表固定碳提供的碳与待还原的氧的摩尔比）在0-1.0的范围内变化。还进行了许多不添加碳的气体还原实验（CEq. = 0）以进行比较。将不同碳当量条件下的磁铁矿和无烟煤仔细混合，并使用压球机以 3000 kg/cm2 的压力压制成直径和高度分别为 15 mm 和 10 mm 的圆盘型碳复合球团。
2.2. 实验过程
通过分析废气的成分，对所制备的球团矿进行了还原实验。将石英坩埚（内径 22 mm，深度 27 mm）中的颗粒放入底部封闭的石英管（内径 27 mm）中，石英管的顶部有气体入口（外径 6 mm，内径 4 mm）和出口 。本研究使用的实验装置示意性如图1所示。用高纯度 Ar 气体作为载气，以 1360 cm3/min 的速度在石英管中吹扫数小时后，将装有样品的石英管插入到使用 Kanthal 加热器控制在 1373 K 的立式电阻炉中。从样品放入炉中起，使用气体分析仪、分析废气的成分（CO、CO2、O2）。了从动态气体成分中计算出 CO 或/和 CO2 气体的挥发量，作为示踪气体，O2 气体被直接引入分析仪，其已知流速由质量流量控制器在室温下控制为 240 cm3/min。
图 1. 实验装置示意图
在碳复合材料还原的情况下，仅引入Ar气，分析废气中CO和CO2气体的浓度以研究还原行为。还原一直进行到 CO 和 CO2 气体的排放量变得可以忽略不计为止，大多数情况下在 50 分钟内完成。气体还原行为可以通过将CO+Ar混合气体引入石英管期间释放的CO2量来确定。将碳基还原和气基还原相结合的几项实验分为两个阶段，以分别考虑两种还原机制。在第一阶段，复合碳检测到CO和CO2气体。CO和CO2气体逸出完成后，将载气切换为CO气体以模拟第二阶段的气体还原。当气体还原产生的CO2气体减少到可以忽略不计的水平时，将石英管抽出进行空气冷却。
为了研究孔隙形成的影响，使用包络密度分析仪测量还原后每个样品的真实密度，同时根据尺寸近似估计其表观密度以获得孔隙率，如公式（1）所示。
还原度的确定方法如下。如图 2 所示，根据示踪气体、O2 气体的已知流速和 O2 气体的成分 (vol%) ，使用气体分析仪获得样品中的总气体的流速。总气体和O 2 气体的流速由公式(2)和(3)所示。随后，可根据总气体的流速确定样品还原产生的 CO 和 CO2 气体的流速，如下图所示。
图 2. 复合碳还原铁矿石过程中的气体分析示例
CO 和 CO2 气体的流速随时间的积分表示样品还原中每种气体的总量。根据各阶段CO和CO2气体的累积量，复合碳和CO气体的还原度𝑅𝑒可分别表示为公式（4）。同样，整个反应的还原程度可以使用公式（5）来估计。
除了还原度之外，作为残留碳的指标，还可以得到整个反应的还原碳效率𝜀𝐶，如式（6）所示。
相关新闻
2023-09-22
2023-09-14
2023-09-07
2023-09-02
2023-08-24
2023-08-17
邮箱：info@lykzhb.cn sales@lykzhb.cn
电话： 0379-65195189
技术服务：13838843223
公司地址：洛阳大学科技园B区1-501/502
工厂地址：洛新产业集聚区纬二路
一家集技术咨询、产品研发制造、技术服务和项目运营为一体的高新技术企业
