基于生物质气基直接还原的多孔球团炼铁机理及强化还原作用机制研究

Poor kinetic conditions, low reduction efficiency and high ash content in product limit the development of direct reduction ironmaking technology using biomass (char) as reducing agent. Furthermore, the gas-solid reduction process of dense pellet is usually controlled by internal diffusion. Based on this, this applicant presents an innovative biomass gas-based direct reduction ironmaking technology: biomass playing a role of pore former is mixed with iron ore for the production of porous pellet by preheating treatment, and then porous pellet is used as ironmaking raw material to enhance reduction reactions under bio-gas atmosphere. In this project, the following works will be carried out: The formation and regulation mechanisms of micropore structure of iron ore-biomass composite pellet during preheating process, get the preparation methods of high strength and high reducibility porous pellet; The reduction process and regulation mechanisms of directional reduction under bio-gas atmosphere are studied, and reduction mechanisms and kinetics of porous pellet are clarified by step-wise reduction, gas assimilating method and thermogravimetric; Analysis the diffusion mechanism of reducing gas，and establish a regional reduction model which describes reduction behaviors of porous pellet; The comparisons of reduction behaviors (reduction mode, reduction rate, kinetics parameters and product components) of porous pellets with different pore structure are conducted from macroscopic and microscopic aspects, the strengthening gas-solid reduction mechanisms of porous pellet are revealed. The accomplishment of this project will lay foundation for building bio-gas based direct reduction ironmaking system and relevant fundamental theories.

以生物质或热解焦为还原剂的生物质碳基直接还原炼铁过程动力学条件差，还原效率低，产品灰分含量高。基于此，本申请提出采用生物质富氢气为还原剂的气基还原炼铁新思路，针对致密结构球团气固还原多受固相内扩散的牵制，通过铁矿球团中添加生物质并预热改善球团孔隙结构，强化还原。拟探讨铁矿—生物质复合球团预热过程中孔隙结构形成机理与调控机制，指导多孔球团的制备；研究生物质富氢气氛下多孔球团的还原型式、还原历程与逐段还原定向调控机制；采用逐渐还原法、热失重法和气体吸收法揭示多孔球团直接还原炼铁机理及动力学规律，解析还原气扩散机理，建立适用于多孔球团还原的多阶段区域还原反应模型；采用动力学方程拟合加之对还原型式、还原速率和产物物相、化学组成等分析，从宏观和微观两个角度对比不同孔隙结构球团的直接还原反应行为，进而阐明多孔球团强化还原作用机制。研究结果将为建立生物质气基直接还原炼铁体系及基础理论奠定重要基础。

可再生炼铁燃料的开发与相应绿色炼铁技术的研究对当今钢铁行业摆脱焦煤资源短缺的羁绊、减少污染物排放、降低生产能耗乃至国民经济的可持续发展具有非常重要的战略意义。.本项目提出以生物质气作为还原剂的气基还原炼铁新技术，对生物质气氛下，球团的还原型式、还原历程以及还原动力学规律开展研究。多孔球团的气固还原过程宏观上是按照收缩未反应核的方式进行，但随着球团孔隙率的增加，还原反应是在一定宽度的区域内发生的，这一关键特征区别于致密球团的还原。添加生物质的复合球团表面结构疏松，孔隙率高，有利于后续还原的热质传递，增加产物还原度，降低反应活化能，产物金属化率和结晶度都明显提高；生物质气氛下，界面化学反应是球团还原反应的主要控速环节。提高还原气体中氢气含量、增加预热温度、减少球团粒径、增加还原温度和反应时间能够提高直接还原铁产品的总铁含量。当采用品位69.25%的铁精矿为原料，与5%的生物质混合制取复合球团并预热后，在1173k富氢气氛下还原10min，即可获得全铁TFe92.24%、金属化率η (Fe) 95.23%、C 含量0.35%的直接还原铁产品，是作为电炉冶炼优质钢和特殊钢的理想原料。.球团中的铁氧化物能促进还原气中焦油的降解转化，进而强化氧化铁的还原；铁矿粉对焦油中的3种典型模型化合物的催化降解活性大小为萘>香草醛>邻苯二酚；生物质焦油中的萘对铁矿的还原效果较好，邻苯二酚组分对铁矿粉的还原效果最差，这主要是因为三种模型化合物的裂解机理不同造成的，邻苯二酚在高温下较为稳定，不易裂解所致。在铁矿粉的催化作用下，香草醛、萘、邻苯二酚热裂解的反应级数分别为0.8、1.0、0.5，裂解表观活化能大小顺序为E(邻苯二酚)>E(香草醛)>E(萘)。.本研究的科学意义，在于实现生物质在低碳冶金技术中的高值化利用，为生物质冶金和钢铁行业“绿色”炼铁提供新的科学思路。应用研究上，完善了生物质低碳冶金的研究内容，同时实现了生物质气的高品位资源化利用；理论研究上，探明了生物质气氛下球团的还原型式、还原机理与动力学规律，从理论层面揭示多孔球团强化还原作用机制，为今后开展生物质气为还原剂的气固反应过程原料改性、反应工况调控等研究提供理论依据与技术支持。