PDF《赤铁粉矿在 H2 气氛中的闪速还原行为》

21 世纪钢铁环保生产研究的热点[6-8] .采用 H2 作为 铁矿石的还原剂,其还原产物为 H2O,避免了温室效应气体的大量排出,并且可循环使用. 从热力学方面分析,810o C 以上,H2 的还原能力高于 CO 的还原能力,有利于还原反应的进 行[9-10] ;

从动力学方面分析,无论还原剂 H2 还是产物 H2O,其分子半径都较 CO 和CO2 气体 分子小很多,因此 H2/H2O 的扩散能力更强,能够加速还原反应的进行.目前,虽然 H2 资源 的生产成本高、储存和运输也有一定的困难,但随着科技的发展、技术的不断进步以及人类 社会对环境的要求,H2 的应用有望得到普遍推广.

1 实验 1.1 实验原料及分析 实验所用到铁粉矿是来自于巴西的赤铁矿精粉,其成分如表

1 所示.主要成分为 Fe2O3, 其质量分数为 94.79%,还含有少量的 SiO2,Al2O3 等成分.铁粉矿首先在温度为

413 K 的烘 干箱内烘干 3h,然后采用振动筛分机进行筛分,获得所需粒度范围为 53~64 μm 的粉矿.采用Mastersizer2000 全自动激光粒度分析仪对筛分后粉矿粒度进行检测,其粒度分布如图

1 所示. 图1赤铁粉矿颗粒粒度分布 Fig 1. Particle size distribution of the hematite ore fines 表1铁粉矿的主要成分(质量分数) Table

1 Chemical composition of iron ore powder (mass fraction) % TFe Fe2O3 FeO SiO2 Al2O3 MnO Rest 66.43 94.79 0.10 2.54 1.52 0.88 0.17 1.2 实验设备及方案 本研究采用高温管式滴落炉进行实验,此设备能够模拟粉矿在高温反应器内的闪速还原 过程,并且能够追踪单个颗粒的还原行为.实验装置结构示意图如图

2 所示,主要包括三部 分:计算机控制系统、高温炉系统和供料系统.设备主体是一个高温管式竖炉,炉内安装一 个内径为 100mm 的刚玉管作为反应炉管,炉顶安装一个水冷加料管,炉底安装一个充满惰性 气体的接料管,水冷加料管下端到接料管上端形成了一个提供闪速还原的恒温区,其长度为 500mm. 为了研究粉矿在高温下的气-固还原行为,反应温度设置为 1450~1550K,考察的气体成 分(体积分数)为60%H2+40%N2 和80%H2+20%N2.加料速率设置为 5g/h,低速加料能够避 免粉矿颗粒之间发生碰撞和黏结.气体流量定为 4L/min,通过预实验排除了气体外扩散为限 制性环节,并且使得粉矿的最长反应时间在 1~2 s 的范围内.这是因为粉矿在高温下的反应 速率非常快,反应时间过长会导致无法检测到还原度随时间的变化趋势.升温阶段通入 N2 保护,当升温达到实验温度,从炉顶通入还原气体.赤铁粉矿和载气一起通过水冷加料管进 入到炉内恒温区,粉矿与 H2 在恒温区内发生快速的还原反应,之后通过接料管落在炉底接料 盘中被收集.反应后的粉矿,采用 X 射线衍射仪(XRD)检测反应过程中的物相变化,采用 扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜观察粉矿微观形貌的演变规律,粉矿的还原度由化学 滴定法确定. 图2实验装置示意图 Fig.2 Schematic drawing of the high-temperature drop tube furnace 通过雷诺数的计算可知,当前实验条件下能够保证反应器内的流动处于层流状态,并且 符合斯托克斯定律的描述,反应时间则是粉矿颗粒在高温管式滴落炉中自上而下经过还原区 域所需要的时间.粉矿颗粒在下落过程中除了受自身重力作用之外,还受到气流对它的作用 力,基于牛顿第二定律和斯托克斯定律,反应时间可根据公式(1)和(2)计算得到. (1) (2) 粉矿还原度的计算是根据反应前后粉矿中氧含量的变化得到的,如公式(3)所示,并且可 进一步转换成公式(4): (3) (4) 实验采用化学滴定法测得反应后铁粉矿中全铁、金属铁和二价铁质量分数,从而根据式 (4)计算得到样品的还原度.