铁粉矿颗粒高温飞行过程中伴随有热分解的还原行为的研究

This project is proposed based on the main scientific issues involved in the ironmaking technologies using iron ore fines and high temperature reduction accompanied with thermal decomposition. Aiming at the current situation that few related theoretical basis and experimental research have been done, by using the combination of the high temperature experiment with theoretical calculation, a systematic fundamental scientific research is to be carried out to investigate the kinetics of thermal decomposition, gas-solid particle reduction, gas-solid particle reduction accompanied with thermal decomposition and gas-molten particle reduction accompanied with thermal decomposition as well as particle’s morphological changes and phase composition changes during the reaction process. In this study, the fine iron ore particles are made to fly through the hot zone of the reactor to avoid the agglomeration of fine particles at high temperature. The characteristics of high temperature reduction accompanied with the thermal decomposition reaction of iron ore fines are going to be clarified. The coupling mechanism of thermal decomposition and gas-solid reduction as well as the coupling mechanism of thermal decomposition and gas-molten particle reduction will be determined. Furthermore, an overall kinetic model for precisely describing the behaviour of in-flight iron ore fines at high temperature will be developed. The effect of operation parameters on the reaction process could be achieved with this model. The research results can make a further contribution to improve the reduction kinetics of iron ore fines. On the other hand, the outcome of this study will be used as the theoretical basis for the development and operation optimization of ironmaking technologies which are utilizing iron ore fines. This research has high academic and practical application values.

本申请项目以铁粉矿的利用及伴随有热分解反应的高温还原所涉及的主要科学问题为提出背景，针对铁粉矿高温熔炼尚缺乏完善的理论体系与系统实验研究之现状，采用高温实验和理论分析相结合的方法，对铁粉矿的热分解、气-固还原、伴随有热分解的气-固还原和气-熔滴还原（气体与熔融的粉矿液滴）机理以及反应过程中颗粒微观形貌与物相组成的演变规律等相关科学问题进行深入系统的研究。本项目借助使粉矿颗粒飞行通过高温反应区的实验技术来避免高温粘结现象。阐明高温下伴有热分解的铁粉矿还原动力学特征，以及热分解与气-固还原的耦合机理和热分解与气-熔滴还原的耦合机理，最终建立可精确描述铁粉矿在高温下飞行全过程的耦合动力学模型，并依此掌握工艺操作参数对反应过程的影响规律及作用机制。项目研究结果不仅可进一步完善铁粉矿颗粒还原动力学理论，而且可为铁粉矿利用的工艺开发及操作优化提供理论依据，具有较高的学术及实际应用价值。

基于直接利用铁粉矿炼铁工艺所存在的问题和发展现状，本研究针对铁粉矿在高温下、运动中所发生的气-固还原、气-熔滴还原及热分解反应展开了深入系统的研究。采用了高温实验考察了铁粉矿闪速还原、热分解行为，采用数值模拟分析了反应器内部精确的反应条件并对化学反应的动力学参数进行了修订，最终建立了铁粉矿在高温下发生化学反应的全过程动力学模型。通过研究发现，铁粉矿在高温下发生快速的化学反应。当温度低于氧化亚铁熔点时，粉矿在还原性气氛中会发生热分解反应和气-固还原反应；当温度高于氧化亚铁熔点时，粉矿会发生热分解反应、气-固还原反应和气-熔滴还原反应。其中，热分解反应受温度影响较大，高温下反应速率比还原反应快，但在当前研究温度下只会发生三氧化二铁的分解反应，热分解反应的活化能为1306 kJ/mol。气-固和气-熔滴反应的动力学机理完全不同，粉矿的气-固还原反应宏观上可以采用未反应和模型，并且可以得到化学反应是限制性关节，但由于产生了致密的产物层，其反应机理又与多孔产物层的情况不同。通过进一步分析得到微观上的限制性环节是离子在产物层和界面的固态扩散。粉矿发生气-熔滴还原反应时，粉矿颗粒由不规则形状变成规则的球形。通过剖面形貌观察发现产生的金属铁嵌在铁氧化物内部，因此可以判断，反应的限制性环节是球形颗粒表面的化学反应。高温下，还原性气氛中热分解反应与还原反应均会发生，但在实验过程中很难区分。此外，高温管式滴落炉内部情况无法直接观察到。因此，进一步采用了数值模拟方法进行了探究。通过反应器的数值模拟计算得到了精确的粉矿反应时间以及反应温度，在此基础上对反应过程进行了模拟，并对实验获得的反应动力学参数进行了修正，修正后气-固还原反应的活化能为223 kJ/mol，气-熔滴还原反应的活化能为178 kJ/mol. 研究结果不仅为完善铁粉矿颗粒还原动力学理论奠定了基础，而且可以为直接利用粉矿的炼铁工艺的开发及操作优化提供理论依据。