铁矿石煤基氢冶金还原技术的研究

高炉炼铁工艺存在的焦炭消耗量大、CO2排放量大、工艺流程长等问题,在研究分析H2还原潜能和还原特性的基础上,提出了铁矿石煤基氢冶金工艺,通过高挥发分煤热解产出H2和水的碳气化反应产出H2,并使H2直接用于铁矿石直接还原之中,实现了铁矿石的煤基氢冶金.为验证铁矿石煤基氢冶金的适应性,通过往回转窑内高温铁矿石中喷入一定比例...     

铁酸锌气体还原的热力学分析

根据热力学原理,计算并分析了含锌冶金粉尘中的重要成分ZnFe₂O₄在CO-CO₂气体还原过程中的热力学行为.ZnFe₂O₄的气体还原遵循逐级还原规律,且ZnFe₂O₄很容易被CO还原到ZnO和Fe₃O₄.较高温度条件下,Zn O的气体还原易于Fe O的还原.随着反应温度升高,锌完全反应和挥发所需要的CO含量不断降低,当反应温度从1100 K升高到1400 K时所需的CO体积分数由0.4降低到0.01以下.要达到还原分离金属锌的目的,不必将铁氧化物还原到金属铁,而只需将铁氧化物还原到Fe₃O₄或FeO,同时满足锌的还原条件即可.在高炉炉身中上部,由于发生锌的还原反应和内部循环,给高炉生产带来危害,因此应减少和控制高炉的锌负荷.      

邯钢喷吹用煤的TG-FTIR热解研究

采用TG-FTIR联用技术研究了邯钢喷吹用煤的热解失重过程。结果表明:长治煤、大湾煤、70%长治煤+30%大湾煤的失重过程均大致分三个阶段,450~800℃之间,TG曲线急剧下降,挥发分大量逸出。DTA曲线在590~700℃时出现峰值,煤的热解反应剧烈。分析显示长治煤添加30%比例大湾煤后失重开始温度比原煤下降13.5℃,1000℃时的失重率比长治煤的失重率增加了4.05%,说明无烟煤配加烟煤可以促进煤粉热解过程中产物的转化,有利于改善喷吹煤粉的燃烧状况。FTIR结果显示:添加30%大湾煤对煤粉在热解过程中CO的生成影响不大,CO2则出现减少的趋势。甲烷气体的释放被集中到一定时间段内完成,且释放量有所增加。另外,配煤还促进了其他烃类气体逸出,增加了参加均相燃烧的挥发分气体比例。     

煤中氢对含碳球团还原的影响

针对含碳球团还原过程中的煤种选择问题,研究了烟煤和无烟煤挥发分中氢对含碳球团还原的作用以及温度、加热速度对氢还原过程的影响。结果表明,含碳球团中煤热解产生的氢对铁氧化物有还原作用。由于煤中挥发分的热解析出温度与氢还原铁氧化物的还原温度不一致,氢在还原初期迅速放出,导致氢的还原作用率低;提高温度和加热速度可提高煤中氢的还原作用率和挥发分的利用率。综合考虑,含碳球团实际生产选择煤种时,应选择反应性好的无烟煤。     

炼焦生产典型煤种热解动力学试验研究

对炼焦生产过程典型煤样进行了工业分析、元素分析以及热性能分析,结果表明,神府气煤在整个升温区间的失重最大,而西曲焦煤和王家岭瘦煤的失重最小,其余煤种介于两者之间.煤样的失重量与其挥发分和水分之和具有关联性.DTG分析表明,气煤的最大热解速度较大,热解较为集中,挥发分释放速度快,热解特性参数较大;而瘦煤和较高变质程度的焦煤最大热解速度较低,热解温度区间分散,挥发分释放速度慢,热解特性参数小;肥煤和1/3焦煤处于他们之间.动力学解析表明,三个独立的一级反应可以很好地描述所研究煤样的热解反应过程,几种典型煤样的活化能介于64～91 kJ/mol之间.神府和玉成煤的平均活化能最小,热解过程比较容易发生;西曲煤的平均活化能最大,热解过程进行困难.     

以高炉渣为热载体进行煤热解的实验研究

利用STA409PC综合热分析仪以程序升温热重法对高炉熔渣中煤的热解反应进行了研究,主要考察了煤渣比、煤种对热解反应的影响。实验结果表明,热解分为三个过程:脱水阶段、挥发分析出阶段和碳化阶段。随着高炉渣加入量的增加,热解过程的热解的起始温度、最大失重温度逐渐提前,煤样热解的活性逐渐增强。高炉熔渣对煤的热解反应具有一定的促进作用,但当高炉渣的添加量增加到一定程度后,这种促进作用不再明显,甚至起到阻碍作用。在相同的反应条件下,不同煤种反映出不同的热解反应特性,随着煤中的碳化程度的加深,煤的分解活性降低。高炉渣对低碳、高灰分的沈南贫煤的催化促进作用更为明显。     

氧化铁碳热还原过程间接还原规律研究

为了研究碳热还原过程的间接还原规律,在20 kg/h推舟炉加热装备上开展试验,借助在线气体分析仪和金属铁产品的化学成分检测,探讨了煤种、煤粉粒度以及铁精矿粉制备方式等因素对间接还原反应的影响,最后从理论上解析了该反应过程的间接还原来源和定量关系。研究表明:间接还原主要来源于碳热直接还原过程产生的CO与氧化铁间发生的化学反应;步进还原过程中,煤中部分挥发分参与间接反应,使得稳定期煤气中的CO_2/(CO+CO_2)比例超过20%;铁精矿粉粒度越小,还原效果越好,间接还原比例越高。     

基于高炉渣余热热解玉米秸秆实验研究

文章基于高炉渣热载体热解玉米秸秆进行实验研究，考察高炉渣与玉米秸秆掺混比、高炉渣温度和高炉渣粒径对玉米秸秆热解产物的影响。掺混比增大、高炉渣温度升高有利于热解反应的进行，热解气产率增大，热解气中CO、CO₂、CH₄和H₂的气体产量均有增加；高炉渣粒径增大，热解气产率先增大后减小，高炉渣粒径为2～3 mm时，热解气产率最大。     

冶金粉尘铟碳热还原热力学分析及铟元素迁移路径

对冶金粉尘铟碳热还原过程进行了热力学分析，结果表明：碳热还原过程中In₂O₃被还原为In、In₂O、InO，且还原难度逐渐增加，In₂O₃转变为In的开始温度为1 016 K，分别在1 242、1 324 K时生成In₂O和InO，且In₂O₃碳热还原开始温度与总压呈负相关。In₂O₃不会被CO还原为In₂O和InO，只有在1 407 K时被还原为单质In，当温度超过770 K时，In₂O和InO不稳定，会发生歧化反应。对In元素的迁移路径进行分析，结果表明，含In冶金粉尘中的In经碳热还原反应后几乎全部挥发进入气相，经除尘系统除尘后富集在二次粉尘中，二次粉尘中In主要以In₂O₃形态存在。通过化学分析表明，从铁矿石到高炉瓦斯灰，In含量增加了50倍左右，从高炉瓦斯灰到回转窑产二次粉...     

影响煤自燃气体产物释放的主要活性官能团

为了研究煤自燃发火气体产物与煤分子官能团之间的内在联系,进一步揭示煤自燃发火过程的微观变化特性,利用程序升温实验装置和原位红外光谱分析实验系统,得出了气体产物生成量和活性官能团含量之间的关联性。结果表明:CO、C₂H₄等指标气体浓度伴随温度升高显示为抛物线模式增长;活性官能团中,随着温度的不断升高,脂肪烃含量先持续增大,之后开始逐渐下降,C=C双键含量不断下降,含氧官能团含量先趋于稳定后逐渐增加。根据指标气体浓度变化,获得了高温反应过程中的5个特征温度点,进一步将其分为临界温度阶段、干裂–活性–增速温度阶段、增速–燃点温度阶段和燃烧阶段4个阶段,并对三个高温氧化阶段进行关联性分析发现:在临界温度阶段,影响CO、CO₂、CH₄和C₂H₆气体释放的主要活性官能团是羰基;在干裂–活性–增速温度阶段烷基链和桥键发生大量断裂,影响气体产物的主要活性官能团是脂肪烃和羰基;在增速–燃点温度阶段气体浓度与羰基和羧基等官能团呈负相关。得出干裂–活性–增速温度阶段是高温氧化过程中的危险阶段,需在该阶段前对氧化反应进行控制,以减少人员和物质损失。      

还原剂对高磷鲕状赤铁矿还原焙烧铁磷分离的影响

研究还原剂种类及用量对高磷鲕状赤铁矿还原焙烧铁磷分离的影响.添加脱磷剂Na₂CO₃,在提铁降磷的同时能降低还原铁的硫含量;还原剂用量的增加都能促进铁还原,但使用灰分和固定碳含量较高或挥发分含量较低的还原剂时,不利于降磷.焙烧产物的X射线衍射分析表明:添加脱磷剂Na₂CO₃时,随着还原剂用量的增加,焙烧产物中金属铁含量增加,浮氏体和石英含量降低;使用灰分含量较高的还原剂时,随其用量的增加,灰分会消耗Na₂CO₃,从而减弱其对于铁还原的促进作用;还原剂用量相同时,石煤、烟煤、焦炭和褐煤所得焙烧产物中金属铁含量逐渐增加,浮氏体含量逐渐降低.总体来看,褐煤作为还原剂时铁磷分离效果最好,其次为烟煤,焦炭和石煤.      

Direct Reduction of High-phosphorus Oolitic Hematite Ore Based on Biomass Pyrolysis

Direct reduction of high-phosphorus oolitic hematite ore based on biomass pyrolysis gases(CO,H_2,and CH_4),tar,and char was conducted to investigate the effects of reduction temperature,iron ore-biomass mass ratio,and reduction time on the metallization rate.In addition,the effect of particle size on the dephosphorization and iron recovery rate was studied by magnetic separation.It was determined that the metallization rate of the hematite ore could reach 99.35% at iron ore-biomass mass ratio of 1∶0.6,reduction temperature of 1 100℃,and reduction time of 55 min.The metallization rate and the aggregation degree of iron particles increase with the increase of reduction temperature.The particle size of direct reduced iron(DRI) has a great influence on the quality of the iron concentrate during magnetic separation.The separation degree of slag and iron was improved by the addition of 15 mass% sodium carbonate.DRI with iron grade of 89.11%,iron recovery rate of 83.47%,and phosphorus content of 0.28% can be obtained when ore fines with particle size of-10 μm account for 78.15%.     

不同反应性炭的气化差异及对铁矿还原的影响

纯氧高炉和煤气化耦合联产是降低炼铁和煤气化工艺能耗和碳排放的重要手段,而研究不同反应性炭的气化差异及其对铁矿石还原影响是实现煤气调质与降低焦比的关键.在模拟纯氧高炉与煤气化耦合联产工艺条件下进行了木炭、兰炭、焦炭的气化和烧结矿、球团矿的还原试验研究.研究结果表明,3种炭与CO2和水蒸气的反应性由强到弱的顺序为木炭＞兰炭...     

生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥

对生物质松木锯末和烟煤还原焙烧高铁拜耳法赤泥进行对比试验研究,包括还原温度、还原时间、还原剂用量对还原效果的影响.生物质松木锯末还原高铁拜耳法赤泥所需还原温度低而且还原时间短最终还原效果较好.试验通过热分析和X射线衍射、动力学研究结果揭示出生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥机理.同时确定了生物质松木锯末中低温还原的最佳还原条件.研究表明生物质松木锯末为赤泥质量分数的20%,还原温度为650℃,还原时间为30 min可将赤泥完全磁化.生物质松木锯末热重试验分析表明250~375℃温度区间为锯末热解的主要阶段,350℃左右热解速率达到最大,450℃后热解反应趋于平缓;烟煤热重试验表明300~700℃温度区间为烟煤热解的主要阶段,450℃左右热解速率达到最大,650℃后热解反应趋于平缓.动力学研究表明锯末在300~400℃区间热解表观活化能比烟煤热解表观活化能要低很多,说明在此温度范围内锯末比烟煤更加容易发生热解反应.生物质能够中低温还原高铁拜耳法赤泥,还原温度比煤基还原的还原温度低200℃左右.      

承钢高炉喷吹用煤的等离子高温热解性能

利用电弧等离子体高温热解装置、多功能气相色谱仪和扫描电镜(SEM)对承钢高炉喷吹煤种进行高温热解实验,研究了配煤和添加助燃剂后煤粉的热解率、热解气体产率、热解气体组成的变化规律。结果表明,配煤和添加助燃剂都能提高煤粉的热解率和气相产物的产率,当烟煤配比在60%(质量分数)时,配煤方案的热解率最高为55.17%,添加助燃剂能够继续强化配煤的热解性能。热解气体中CO和H_2的含量随烟煤配比和助燃剂增加而增加,小分子烃类物质的产量减少,残渣颗粒表面出现大量不规则形状的突起,并伴有较多的裂纹、空隙和大量的孔状结构,进而提高煤粉在高炉风口区域的高温热解性能。     

Direct Reduction of Mixtures of Manganese Ore and Iron Ore

This paper presents recent results of direct reduction investigation of different combination of blends of manganese ore, iron ore and coal at the Department of Ferrous Metallurgy (IEHK) of RWTH Aachen University. A mixture of iron and manganese ore in a ratio of 75/25 is a good raw material for steelmaking of high Mn‐alloyed grades. The experimental studies consisting of reduction of (a) fine material and (b) agglomerated material (briquettes) were carried out in the range of 1273 to 1673 K. The behaviour of combined reduction of manganese ore and iron ore and the employment in the direct reduction on a coal and gas basis for production of steels with high Mn content were investigated. It was found that a high metallization degree for Mn can be reached at 1273 K with the reduction of manganese ore by hydrogen‐containing gas. Addition of carbon monoxide to the reducing gas retarded the reduction process. The addition of coal to manganese ore and iron ore blends increased the degree of reduction. The results of carbothermic reduction of briquettes consisting of a mixture of manganese ore and iron ore combined with coal as reducing agent show that a high temperature, a low Mn/Fe ratio and a high Fe₂O₃ content have a favourable effect on the degree of reduction. In order to obtain a high degree of metallization, the temperature should be higher than 1473 K. The reduction of briquettes at higher temperatures (up 1573 K) has shown a molten phase and the separation of slag and metal.     

不同生物质还原氧化铁的特性

以木屑、玉米秸秆、咖啡废渣和水解木质素4种生物质为还原剂,采用TG-FTIR联用、XRD、SEM等方法分析了各物质的化学成分及官能团构成,研究了不同生物质中碳和氢对氧化铁的还原反应特性。研究表明,生物质还原氧化铁的作用由气体和固定碳决定,其中气基还原的特征温度为806~822 K,碳还原的特征温度为1 116~1 132 K。4种生物质中,碳还原氧化铁的能力由强到弱依次是木屑>水解木质素>咖啡废渣>玉米秸秆,氢还原能力大小则为玉米秸秆>咖啡废渣>木屑>水解木质素。     

铁矿粉烧结基础特性之同化性研究进展

烧结矿在中国高炉的入炉炉料中所占比例为70%左右,烧结工序能耗占钢铁生产能耗的8%～10%,合理优化烧结配矿过程有利于钢铁企业增产降耗。利用铁矿粉烧结高温基础特性指导优化配矿更符合生产实际,基础特性中的同化性反映铁矿粉与CaO熔剂形成液相的难易程度,影响烧结矿的矿物组成、冷态性能及冶金性能,近年来相关研究取得了较大的进展。首先总结了铁矿粉同化性的研究历程,以及当前同化性检测的方法及设备,探讨了各种方法的优缺点,随后分析了不同铁矿粉化学成分等对最低同化温度的影响。结果表明,随着SiO₂、Al₂O₃含量的增加,最低同化温度先降低后升高;MgO、(Al₂O₃+SiO₂+MgO)含量的增加使最低同化温度升高。对不同含铁矿物而言,一般表现为褐铁矿同化性优于赤铁矿,磁铁矿的同化性最差。最后,在前人研究的基础上,基于烧结工艺、优化配矿以及实践经验,总结并探讨了现阶段存在的问题,并尝试提出了未来相关研究的方向。     

Modelling novel coal based direct reduction process

Abstract

The present paper develops a one-dimensional model of a novel coal based iron ore direct reduction process. In this process, a mixture of iron ore, coal fines and small amount of binder is made into pellets and these are placed in a bed. Air is forced upward through the pellet bed and provides oxygen for the volatiles and part of the coal in the pellets to be burnt. Initially the pellet bed is heated from the top. As the temperature of the top level of pellets increases, they start to evolve pyrolytic matter which is ignited and, as a consequence, the pellets at lower levels in the bed are heated. In this way, a flame propagates downward through the bed. The iron ore reacts with the gases evolved from the coal (including volatiles) and carbon in the coal and undergoes reduction. The model presented in the article simulates the processes occurring in the solid and gaseous phases. In the solid phase, it uses a novel porous medium model consisting of porous pellets in a porous bed with two associated porosities. The model includes equations for energy balance, reactions of iron oxide with carbon monoxide and hydrogen, coal pyrolysis and reactions between the gas components in the voids. The model shows that a rapidly increasing temperature front can travel downward through the bed if the air is supplied for long enough. The predictions of the modelling are discussed and compared with observations obtained from an experimental rig.     

红土镍矿还原焙烧的机理研究

利用XRD和TG/DTA技术分别分析了红土镍矿结构和特性,SEM和岩矿相观察分析了800℃、900℃、1 000℃和1100℃还原后的矿样结构和镍、铁还原率和金属化率,并在此基础上探讨了红土镍矿还原焙烧的反应机理。在不同温度条件下,研究了动态CO气氛中红土镍矿的还原焙烧反应动力学。结果表明:还原后的红土镍矿中镍、铁晶粒很细、很分散,选矿难度大。还原焙烧时间不宜过长,40～60 min为佳。还原焙烧温度不应太高,900℃为宜,此温度下,红土镍矿还原3h后,镍的还原率为79.47%、铁还原率和金属化率分别为73.51%和60.27%。红土镍矿还原焙烧过程中镍、铁的表观活化能、反应频率因子和反应级数依次为E_Ni=196.86kJ·mol^-1、E_Fe=116.29 kJ·mol^-1、In(A_Ni/min^-1)=16.76、In(A_Fe/min^-1)=10.29、n_Ni=1.2595和n_Fe=3.2349,确定了还原过程中镍和铁的反应动力学方程。