钒钛磁铁矿流态化直接还原技术现状与发展趋势

钒、钛是重要的生产生活资料,90%以上赋存于钒钛磁铁矿中. 我国钒钛磁铁矿资源储量丰富,但在当前高炉?转炉工业流程中,受高炉冶炼条件限制,钒钛磁铁精矿中的钛元素未能得到回收利用. 面对钒钛磁铁精矿铁钒钛资源全面提取利用难题和资源环保集约综合利用的迫切需求,直接还原?电炉熔分两步法流程受到广泛关注,其中流化床法因直接采用粉矿入炉、工序流程短、低温综合反应效率高,在直接还原工序中优势突出. 本工作阐述并对比了钒钛磁铁精矿流化床直接还原工艺,分析了钒钛磁铁精矿难还原的原因,重点介绍了流态化预氧化强化还原方法,同时归纳流化床直接还原过程中影响粘结失流的主要因素,总结了5种抑制铁矿粉粘结失流的直接方法,并提出了添加MgO惰性添加剂、碳包覆及改进床型结构的研究发展方向.     

攀西钒钛磁铁矿资源高效冶金及清洁提取研究进展

攀西地区钒钛磁铁矿是我国重要的特色资源，但由于其TiO2含量高，矿物相复杂，属于难冶炼矿石。早在1958年6月叶渚沛先生发表了《攀枝花含钛铁矿的紧急问题》的书面意见，其中“紧急问题”是突破某些国外学者的“用高炉冶炼这种矿石成功的希望甚微”的框框，依靠国内的科研力量攻克攀西地区钒钛磁铁矿高炉冶炼的难题。在全国各相关行业的大力协作攻关下，我国已成功突破了攀西地区钒钛磁铁矿高炉冶炼的难题，并进一步提升了强化冶炼的水平，整体达到世界领先水平。近年来除冶炼水平不断提升外，在资源综合利用水平提升方面也进行了大量具有原创意义的研究工作。重庆大学是国内最早开展钒钛磁铁矿冶炼和综合利用研究的单位之一，多年来始终把钒钛磁铁矿冶金及资源高效利用作为冶金学科首要的研究方向，对高炉冶炼钒钛磁铁矿的独特工艺进行了较系统的理论与工艺研究，形成了鲜明的研究特色。近年来围绕高炉高配比钒钛磁铁矿冶炼技术、含钛高炉渣提钛和大型电炉钛渣冶炼技术以及钒资源高效清洁提取技术等方面与企业紧密合作，在理论和实验研究方法上进行突破，取得了良好的进展。本综述就近年来重庆大学在攀西钒钛磁铁矿高效冶金及清洁提取方面所做的工作，进行简要介绍，以纪念叶渚沛、林衍先等老一辈科学工作者为攀西钒钛磁铁矿开发利用做出的科研贡献，并秉承他们脚踏实地、勇于创新的科学精神，推动“双碳”目标下的攀西地区钒钛磁铁矿绿色智能冶金和资源高效利用的发展。     

超低碳炼铁技术路径分析

2060年碳中和目标既使我国钢铁工业未来发展面临巨大挑战，又为其提供了换道超车的发展机遇。本文对绿氢直接还原、氧化铁熔融还原、碱性溶液电沉积铁、酸性溶液电沉积铁的发展历史和技术现状进行了综述。在全绿电炼铁场景下，本文对各种技术路线的理论和实际耗电进行了估算，从技术成熟度、电耗、技术难度、应用前景等方面，对各技术路径进行了对比分析，发现碱性溶液电沉积铁电耗最低，酸性溶液电沉积铁和电供热氢气熔融还原次之。从技术难度上看，氢气直接还原、酸性溶液电沉积铁技术难度较小，且都已完成一定规模的中试，氢气熔融还原炼铁、碱性溶液电沉积铁和氧化铁熔融电解炼铁技术都还处于概念或技术发展早期阶段。综合来看，氢气直接还原、酸性溶液电沉积铁和氢气熔融还原炼铁路线可望发展成为有竞争力的超低碳炼铁技术，而碱性溶液电沉积铁和氧化铁熔融电解炼铁技术难度较大，短期内恐难以取得较大突破。     

搅拌流化床中超细氧化铁粉流态化及还原实验研究

在内径50 mm的搅拌流化床内进行了平均粒径239 nm的氧化铁粉的流态化及氢气还原实验. 结果表明,床中氧化铁颗粒以聚团鼓泡形式实现完全流化,最小流化速度为0.025 m/s,最大床层膨胀比为2.0. 在500℃下用氢气还原该氧化铁粉的反应过程为：Fe2O3?Fe3O4?Fe,Fe颗粒的粒径比Fe2O3小,有颗粒烧结现象,由Fe引起的颗粒烧结和粘结作用可能导致失流. 与普通流化床相比,搅拌能使流化时间由3 min延长至15 min,使失流时样品的金属化率由15%提高至76%.     

高频氢等离子体增强还原制备超细铜粉

利用高频感应热氢等离子体强化还原制备超细铜粉，考察了加料速率、还原氢气流量、氢气分布位置、反应区空间、冷却温度等因素对铜粉颗粒性能的影响，对制备的铜粉颗粒进行氧含量、XRD晶体结构、松装密度、粒度分布和比表面积的表征。结果表明，优化的工艺条件为反应区内径100 mm，加料速率4 g/min，淬火气氩气气量500 L/h，氢气气量500 L/h并通入少量载气，由氢等离子电离产生的氢自由基可强化反应实现瞬时还原，不仅可控制铜粉形貌，还能有效控制铜粉颗粒大小；利用该方法制备出粒径分布100?200 nm、分散性好的超细球形铜粉颗粒。该方法操作简便、产品纯度高、气氛可控、对环境污染小。     

液固流态化动态过程中相间作用力的数值模拟及实验验证

选择恰当的相间作用力模型是液固流态化动态特性CFD建模的关键。首先采用Richardson-Zaki关联式验证了稳态操作条件下整体固含率的实验结果，然后在基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉双流体模型中比较了Wen-Yu、Gidaspow、Syamlal-O’Brien、Dallavalle和TGS 5个曳力计算公式对液固流化床收缩和膨胀特性的数值模拟结果，进而探讨了Moraga等提出的升力模型影响行为及主要相间作用力影响机制。与实验测量数据比较结果表明：收缩过程中Syamlal-O’Brien和TGS曳力模型对响应时间预测较为准确，TGS曳力模型对整体固含率的预测精度较高；膨胀过程中TGS曳力模型对响应时间和整体固含率的预测优于其他模型。整体而言，基于静止颗粒群绕流直接模拟得到的TGS曳力模型忽略了颗粒-颗粒相互作用，与液固散式体系中颗粒动力学特性相符合。升力模型对动态特性模拟结果影响较小，CFD模拟时根据选择体系可予以适当忽略。     

原位双金属纳米颗粒YST复合阳极的构筑及其直接碳催化性能研究

研究了原位Cu析出和CuCo双金属析出的钇掺杂钛酸锶（YST）材料在作为直接碳燃料电池（DC-SOFCs）阳极时的结构及性能。首先采用燃烧法制备系列Co掺杂的Y_0.08Sr_0.92Ti_0.9-xCu_0.1Co_xO_3-δ（x = 0,0.1,0.2,0.3）阳极材料。通过XRD、SEM、TEM等表征材料微观结构，结果表明Co掺杂量达到0.2时，氢气还原后的阳极材料析出均匀分布的CuCo双金属纳米颗粒。电导率测试表明CuCo双金属纳米颗粒有效提高了材料的电导率。CO氛围下的阻抗测试表明，析出CuCo双金属纳米颗粒的Co0.2阳极材料具有最小的极化阻抗，催化活性优于其他阳极材料，以其作为阳极的电池在800℃和碳为燃料时，最大功率密度可达591 mW·cm^-2，且具有良好的稳定性，是一种优异的DC-SOFC阳极材料。     

甲烷催化裂解制氢和碳纳米材料研究进展

甲烷通过催化裂解反应可生成不含碳氧化合物（CO_x）的高纯氢和碳纳米材料（如碳纤维或碳纳米管等）,对我国能源结构的调整及新材料的应用具有重要意义。与其他制氢工艺相比,甲烷催化裂解制氢工艺具有反应过程简单、产物清洁无污染、反应成本低等优点,因此该工艺具有重要的工业应用前景。本文重点阐述了催化剂（活性组分、催化剂载体、制备方法等）以及反应条件（催化剂还原条件、空速、反应温度等）对甲烷转化率、氢气产率和碳纳米材料（形貌和产量）的影响并对甲烷催化裂解反应机理、催化剂的失活与再生进行了概述。甲烷催化裂解反应目前仍处于实验室研究阶段,高效催化剂的研制以及流化床反应器的优化是该反应实现工业化应用的必要前提。     

化学链干重整联合制氢热力学分析及实验

提出了一种化学链甲烷干重整联合制氢工艺。该工艺由还原反应器、干重整反应器、蒸汽反应器和空气反应器组成，在实现制氢的同时获得可变H₂/CO比的合成气。借助ASPEN plus软件和小型流化床实验台，在等温条件下，温度900℃，采用Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体，对该工艺进行热力学分析和实验验证。结果显示，当铁氧化物被还原至FeO/Fe时，干重整反应器内甲烷转化率可以达到98%，CO产率可以达到94%。干重整反应器中同时发生甲烷干重整和部分氧化反应，载氧体内部晶格氧可以有效降低积炭并提高合成气H₂/CO比。积炭发生于晶格氧消耗殆尽时。积炭进入蒸汽反应器，发生气化反应，降低氢气纯度。     

流化床气相水解制备高纯二氧化钛

针对TiCl₄气相水解制备TiO₂粉体存在Cl含量高的问题，开展了流化床TiCl₄气相水解制备高纯TiO₂。系统地研究了反应条件、煅烧后处理对TiO₂粉体的纯度、形貌、晶型、比表面积的影响。结果表明，TiO₂内部结构和晶型的转变有利于Cl的脱除；提高煅烧温度使TiO₂的内部结构由多孔疏松向致密结构转变，晶型结构由锐钛矿相向金红石相转变，从而有利于提高Cl的脱除率；与空气煅烧比较，水蒸气气氛下的脱氯效率明显提高，归因于水蒸气与TiO₂颗粒内残余的多羟基氯化物进一步反应；氢气气氛下可进一步提高Cl的脱除率，800℃煅烧2 h后Cl的脱除率达到95%，主要归因于氢气还原TiO₂使其晶型结构发生转变。     

中国钢铁工业低碳绿色生产氢源思考与探索

依据2007年至今的思考、探索和沉淀,本文认为中国钢铁工业脱碳转型依然沿世界现有的钢铁发展规律,从以高炉和转炉的长流程转向电炉钢加直接还原铁为代表的短流程,中国在这一低碳化转型过程中卡脖子问题是没有直接还原铁生产的氢资源,世界直接还原铁生产基本以天然气为氢源,但中国富煤缺油少气的现状利用天然气生产直接还原铁不具可行性。依据本文作者团队近15年的科研实践,提出：各类煤气可成为中国近期生产直接还原铁的可行氢源,中期为电替代炼厂干气及电烯干气,远期则为光伏风电的电解水制氢,以上氢源可支撑中国钢铁工业的氢冶金低碳化转型。以上述中国氢源路线图,开发低碳绿色氢冶金棋局技术是当务之急。本文提出应集政府、头部企业和科研单位一体化三螺旋合作攻关示范,易于发挥中国集中力量办大事的体制优势,攻克中国钢铁工业低碳化生产的瓶颈。     

中国钢铁行业“超低排放”向“减污降碳”过渡的技术思考

钢铁行业是我国国民经济的重要基础产业，但同时也是我国污-碳排放量最大的工业行业。2019年4月，五部委联合印发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，率先引领了工业烟气超低排放，我国钢铁行业大气污染排放量实现了大幅削减。“十四五”以来，在“双碳”背景下，随着减污降碳的提出，现有超低排放技术所带来的碳增量效应问题逐渐凸显，又对钢铁行业带来了新的技术需求。本工作阐述了我国钢铁行业超低排放的技术进展，归纳了钢铁行业减污降碳发展方向，并提出了未来钢铁行业绿色低碳发展建议，为推动中国钢铁行业的高质量绿色发展提供参考。     

用糯米粉生产高档啤酒标签胶的研究

以糯米粉为原料，研制高档啤酒标签胶。对基料选择、粘接强度、干燥速度、耐水性等影响因素进行了探讨，通过实验确定最佳工艺条件和生产配方，其性能满足啤酒高速贴标机25000～36000只／h的工作要求。     

添加Fe2O3对碳热还原含钛高炉渣的影响

以攀枝花含钛高炉渣为原料,针对碳热还原含钛高炉渣的还原产物TiC晶粒粒径较小而难以分离的问题,在原料中添加不同比例的Fe2O3促进TiC与渣相分离. 结果表明,原料中加入Fe2O3后,还原产物中Fe在渣中呈弥散分布,渣中TiC晶粒依附Fe相生长. Fe2O3添加量为5wt%时,依附于Fe相形核长大的TiC明显沉降,富集于还原产物底部,含钛高炉渣还原产物中TiC初步富集.     

外加电场对静电流化床中颗粒运动与床层粘壁的调控机制

对流化床反应器中的颗粒运动行为进行调控可达到强化反应器性能的目的。通过冷模实验研究了直流/交流电场对静电流化床中颗粒运动的影响规律与影响机制,建立了通过外加电场调控静电流化床中床层粘壁的方法。结果表明,在低场强条件下,库仑力主导外加直流电场对颗粒运动的影响,由床层壁面指向床层中心的外加直流电场使得颗粒运动强度和轴向颗粒运动分率降低,而由床层中心指向床层壁面的外加直流电场则作用相反;在高场强条件下,极化力主导外加直流电场对颗粒运动的影响,使得颗粒运动强度减弱。在外加交流电场中,无库仑力存在时,极化力仍在高电场强度下使得颗粒运动强度减弱,但当库仑力存在时,电场强度和方向的周期性改变使得颗粒发生周期性摆动,颗粒运动强度增强。在本文的实验条件下,外加交流电场是一种控制床层粘壁的良好方法。2.5 kV/cm、50 Hz的正弦交流电场使得床层粘壁下降76%。研究结果可为聚烯烃流化床反应器的安全运行和过程强化提供指导。     

浅谈橡胶与纤维骨架材料的粘合

介绍了橡胶和纤维骨架材料粘合的基本原理,讨论了直接粘合体系和浸渍体系的应用及原理,着重介绍了目前人造丝、尼龙、聚酯和芳纶等主要橡胶用纤维骨架材料所用的粘合体系的状况。     

过程所与流态化-庆祝过程工程研究所建所60周年

中国科学院过程工程研究所自1958年创建以来已经走过60年一个甲子的历程. 该所坚持面向科学前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场的中国科学院办院方针,在应用基础研究和工业应用两方面均取得了一系列重要成果,在流态化科学与技术领域尤为突出. 在已故所长郭慕孙院士的领导下,过程所在流态化科学与技术领域长期处于世界领先地位. 本文回顾和概述了该所在流态化理论与工业应用两方面所取得的一系列重要成果. 理论方面包括诸如广义流态化理论、无气泡气固接触理论、气固流态化的散式化理论、流化床结构?传递关系理论、EMMS理论与介科学、微型流化床的提出及定义等;工业应用方面涉及诸如贫铁矿的流态化磁化焙烧、煤的流态化热解、锰矿的流态化还原、高湿高氮燃料的低NOx双流化床解耦燃烧、低焦油流化床两段气化、中石化MIP(Maximizing Iso-Paraffins)循环流化床技术的计算机模拟放大等. 仅以此文作为献给过程所创建60周年的生日礼物,以此激励我们继承与发扬老一辈科学家的求真务实爱国敬业精神,在科研工作中取得更大的成就.