王兆才1,2、儲(chǔ)滿生3、胡兵1,2、孫英1,2、王敏1

　　1 中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司 2國(guó)家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心3東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院

　　綜合考慮國(guó)內(nèi)煉鐵資源及鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，以煤制合成氣為還原氣，以氧化球團(tuán)礦為原料，以豎爐為反應(yīng)器的煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝是我國(guó)發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)的主要方向[1-3]。目前，世界上占主導(dǎo)地位的氣基豎爐工藝MIDREX法和HYL法，還原氣氛中H2/CO的比值不同，但都有著成功的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[4,5]。同時(shí)，現(xiàn)今主要煤制氣產(chǎn)品還原氣的技術(shù)指標(biāo)、投資成本和環(huán)境負(fù)荷等方面存在較大差異[6]。因此，在我國(guó)發(fā)展煤制氣-豎爐直接還原過(guò)程中，針對(duì)我國(guó)資源條件和豎爐生產(chǎn)實(shí)踐，選定適宜的煤制氣工藝，深入開(kāi)展豎爐還原機(jī)理和還原條件的研究是非常關(guān)鍵的課題。

　　本研究改變氣氛和溫度對(duì)氧化球團(tuán)進(jìn)行氣基直接還原，考察二者對(duì)還原進(jìn)程的影響，分析球團(tuán)還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為我國(guó)發(fā)展氣基豎爐直接還原選擇適宜的煤制氣工藝和確定合理的豎爐還原工藝條件提供有益的理論依據(jù)。

　　1 氣基直接還原實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)選取粒度12.5±0.5mm的氣基豎爐直接還原專用氧化球團(tuán)(TFe68.5%、SiO21.73%)若干裝入吊管，將其置于爐內(nèi)恒溫區(qū)升溫，并通入保護(hù)性氣氛N2，恒溫30min后改通還原性氣體。還原過(guò)程中利用電子天平連續(xù)測(cè)量和計(jì)算機(jī)控制，系統(tǒng)每30s自動(dòng)記錄試樣的失重情況，從而得出球團(tuán)的還原失重曲線。等天平重量顯示趨于穩(wěn)定之后，還原即告結(jié)束，并將還原氣改換為N2。本實(shí)驗(yàn)選取850℃、900℃、950℃、1000℃和1050℃五組溫度及純H2、H2:CO為5:2、3:2、1:1、2:5和純CO六種氣氛進(jìn)行氣基直接還原實(shí)驗(yàn)。

　　為分析氣-固還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，消除外部氣相傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響，本研究首先改變氣流量在950℃下對(duì)氧化球團(tuán)進(jìn)行了預(yù)備實(shí)驗(yàn)，由結(jié)果可知4L/min為實(shí)驗(yàn)條件下氣體流速的臨界值，即反應(yīng)速率不再受氣流速度增加的影響。因此本研究選取4L/min為實(shí)驗(yàn)氣流量，從而確保足夠大的氣固比，盡可能避免氣流量對(duì)還原過(guò)程的限制。

　　圖1給出了五種溫度六種氣氛下氧化球團(tuán)還原率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖可知，相同溫度和反應(yīng)時(shí)間下，還原率隨溫度的升高和還原氣氛中H2含量增加而增大，增加H2含量將顯著改善還原反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)比圖1中不同氣氛相同還原率下所需的還原時(shí)間，可見(jiàn)，還原氣氛中H2含量增至50%后，還原所需時(shí)間減少的幅度逐漸變小，增加H2含量對(duì)加速還原反應(yīng)的影響逐漸減弱。CO氣氛下，不同溫度相同還原率下所需的還原時(shí)間變化較小，溫度對(duì)還原反應(yīng)速率的影響較弱。
 

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