白云鄂博铁矿粉富氢流态化还原机理研究

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白云鄂博矿含多种矿物且稀土元素储量丰富,为世界所瞩目。目前传统高炉炼铁污染大,投资高但利用率低,因此一直以来冶金工作者都致力于开发直接还原工艺,如熔融还原的预还原技术和气基直接还原技术。其中流态化还原技术具有低能耗、低污染、高效率、产物应用广泛等优点,在冶金领域得到了成功的应用。但目前流化还原多采用一氧化碳作为还原剂,在反应过程中,CO促进还原产物颗粒表面大量生成勾状铁晶须,致使流化过程中容易产生粘结现象,而流化床的粘结失流不仅大大降低了流化还原效率还会导致还原产物不能被均匀的还原,同时在生产过程中产生大量的二氧化碳,对环境造成污染。而氢气作为一种清洁能源,不仅能在较低的温度下将铁氧化物还原为金属铁,并且在还原反应过程中的反应产物为水,不存在对环境的污染问题。因此本研究采用氢气作为还原气体,氮气作为保护气体,通过可视流化床研究富氢流化还原技术的可行性以及粘结机理和还原反应动力学。  本研究应用热重分析对不同温度,不同添加剂条件下氢气还原白云鄂博铁精矿动力学进行了研究,由 TG曲线计算获得了还原反应的反应速率,探究添加剂作用于铁氧化物被氢还原的不同阶段反应活化能。研究结果表明:(1)整个还原反应分成三个阶段,界面化学反应活化能分别为17.74、12.68、18.47kJ/mol,内扩散活化能分别为37.65、27.50、32.92 kJ/mol,内扩散活化能均大于界面化学反应,由此可知其反应的限制行环节为内扩散,化学反应表观活化能的降低有利于反应的加速进行。(2)添加K、Na碳酸盐、硝酸盐后均使得反应活化能增加,但硝酸盐比碳酸盐抑制了粘结的发生,从而使富氢流化还原效率提高。  本研究通过可视流化床研究了温度,氢气流速对还原度的影响,碱金属碳酸盐,硝酸盐,碱土金属氧化物添加对流化还原的影响,利用 XRD分析了还原产物的物相组成,通过扫描电镜和能谱分析观察了流化产物的显微结构,得出了添加剂对粘结现象产生的影响,探究了流化还原粘结机理和还原产物微观结构与粘结之间的关系,得出结论:(1)富氢流化还原度随温度升高而增加,当还原时间为30min、650℃时,还原度仅有28%左右,在850℃时,还原度提高到80%。温度在800℃以上,会出现铁矿粉粘结现象,从而在一定程度上减缓了流化还原效率。(2)在同温度下,氢气流速的增加有利于提高流化还原反应的还原效率,但此作用在低于700℃温度下更为明显。(3)添加Na2CO3比添加 K2CO3提高了直接还原反应效率。但在反应后期有粘结物的生成,使得还原反应速度降低。因此,适宜的K2CO3添加量为2%。(4)添加碱土金属MgO可以减少粘结产物的生成,但对还原度不产生影响,添加 CaO、Al2O3促进了粘结现象的产生。
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