富氢气氛煤热解与铁矿石还原耦合过程基础

煤热解是从煤中提取液体燃料和高价值化学品主要技术之一。钢铁工业是国民经济的重要基础产业。将煤炭热解与铁矿石还原耦合，利用铁氧化物的催化性能，获得轻质焦油；通过富氢气氛热解，增强铁氧化物还原反应推动力，可谓一举两得。本项目针对该耦合过程的基础科学问题，进行如下几方面研究：在喷动床热解-固定床催化耦合实验装置上，研究反应温度、停留时间、催化剂粒径等对煤热解油气产率及组成影响，探索煤热解与铁矿石还原耦合反应过程控制因素；采用煤热解仪与原位红外跟踪技术，推测铁氧化物对热解油气真实作用过程及中间产物和最终产物形成机理；利用XRD表征反应前后铁氧化物晶型状态，采用热重分析仪研究中低温条件下，铁氧化物还原反应动力学，指导喷动床-固定床耦合反应器实验设计。最终目标为实现煤热解与铁矿石还原耦合技术工业化提供理论依据和技术支撑，同时进一步丰富煤催化热解理论。

本项目提出将煤炭热解与铁矿石还原耦合，利用铁矿石催化性能获得轻质焦油，同时利用热解还原性气氛还原铁矿石。项目从铁矿石对煤热解油、气产率及组成的影响规律和煤热解过程中铁氧化物自身还原特性两方面入手，分别在煤炭快速热解与GC-MS联用仪、固定床反应器上进行实验研究，并结合XRD和SEM等表征手段探索反应机理。实验考察了四种不同铁矿石（菱铁矿、褐铁矿、赤铁矿、磁铁矿）对煤热解油气催化性能。研究表明：菱铁矿和褐铁矿催化裂解性能较强。在氩气气氛下，焦油总产率降低，气体产率明显增加。与其它铁矿石相比，褐铁矿能显著提高氢气产率和焦油中轻质芳烃含量。相对氩气气氛，氢气气氛下，褐铁矿对焦油总产率影响变小，但芳烃含量明显增加。随着氢气分压增加，焦油产率和芳烃含量都增加。通过控制反应气氛与压力，可以有效控制铁矿石对焦油裂解深度，平衡油气产率。以苯为焦油模型化合物，研究了焦油对铁矿石还原影响。发现：低温反应条件下（700oC），由于铁矿石表面积碳，苯焦油模型化合物延缓了铁矿石还原速度。高温反应条件（大于800oC），苯模型化合物促进铁矿石还原。铁矿石还原度可达到90%以上。热解煤气中，由于苯焦油模型化合物存在，有大量碳化铁生成。