生物质焦粉-铁矿粉预制块炉料的还原和制备基础研究

利用可再生能源替代煤炭和提高煤炭利用率是降低炼铁过程能耗和降低CO2排放的有效途径。生物质是典型的可再生能源，且经碳化后具有气化温度低，气化速率高的特点。本项目从生物质化学能转换利用的角度出发，通过对生物质碳化规律、生物质焦的催化气化机理以及生物质焦粉-铁矿粉预制块还原动力学研究，确定最佳的生物质焦制备工艺参数，寻求高效的催化剂使用方法，揭示共H2、CO还原体系下生物质焦粉-铁矿粉预制块还原的本质和规律，为高反应性炉料在炼铁工序中的高效应用提供科学的理论依据和指导。同时，为拓宽生物质在冶金中的应用奠定理论基础。

本课题旨在通过对生物质碳化、生物质焦气化以及生物质焦还原铁矿粉规律的研究，为炼铁过程中生物质的应用奠定基础。研究得出结论如下：（1）以最优的气化反应性为目标，确定合理的生物质碳化工艺参数为恒温加热模式。将生物质快速加热至500℃保温30 min(CT-500℃-30)。制得的生物质焦呈管束状，可磨性提高，制粒后，生物质焦多为片状结构，比表面积大于同等粒度条件下的具有颗粒状结构，反应性提高。同时由于特殊的片状结构使比表面积随粒度变化不明显。（2）研究发现碳的气化是限制生物质焦还原的限制性环节。实验考察了CaO, MgO, MnO和Fe2O3等对生物质焦气化速率的影响，考虑到催化作用效果以及减小用量对生产的影响，并实现资源的循环利用，选择Fe2O3作为催化剂，使用量为3%。对不同催化剂添加方式的研究表明，采用Fe2O3高压喷射混合比采用常规滚筒自然混合的生物质焦具有更高的气化反应速率。对不同气相组成条件下催化剂的作用效果进行评价，研究表明气化温度为1050℃、H2分压4%、Fe2O3含量4%具有最优的气化反应特性；实验基础上，建立了生物质焦气化的动力学模型，结果表明随机孔模型能够很好的拟合气化反应过程。利用该模型分析了不同生物质焦和煤焦比例下气化的动力学参数，结果表明生物质焦与煤焦之间存在协同效应，75%生物质焦的混合比例可以获得最佳的协同作用效果，气化效率最高。（3）分别针对生物质焦粉铁矿粉自然混合以及压块条件下的还原进行了研究，结果表明：使用生物质焦作为还原剂，还原开始温度比煤粉低106℃，比焦粉低208℃；达到最大反应速率的温度比煤粉低72℃，比焦粉低107℃；最大反应速率为煤粉还原的1.57倍。生物质焦/磁铁矿粉压块，C/O=1.1，加热到还原温度1050℃，恒温5min可获得纯净还原铁。根据试验结果及动力学模型计算，高炉使用生物质焦-铁矿粉复合体高反应性炉料理论上可以降低高炉热储备区温度达到100℃左右，CO平衡浓度降低2.3%，节约燃料消耗11.50kg/tHM。通过以上研究为生物质在炼铁工序中的高效应用提供科学的理论依据和指导。