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循环流化床煤基铁矿石粉直接还原的试验研究

范莉娟  
【摘要】:铁矿石直接还原工艺中虽然气基直接还原工艺占主流,但是根据我国缺气少油的国情,煤基直接还原工艺更值得研究。在铁矿石的直接还原工艺中,流态化技术由于具有物料充分接触、反应条件均匀、设备利用率高等诸多优势备受关注。本论文对循环流化床技术与煤基铁矿石粉直接还原工艺的结合进行了基础试验研究。 通过热重分析仪及联用设备对不同煤种的煤粉与铁矿石粉的混合物进行了非等温动力学研究,在此基础上,设计了循环流化床煤基铁矿石粉直接还原的工艺方案,设计搭建了小型循环流化床电加热试验台,并进行了煤基铁矿石直接还原工艺试验研究。 热重分析考察了不同反应物(氧化铁粉、铁矿石粉与大同烟煤、神木煤、阳泉无烟煤的煤粉分别混合)以及不同反应气氛(氮气、二氧化碳)对还原反应的影响。在氧化铁粉和铁矿石粉分别作为反应物的比较中,可以看出铁矿石粉中的杂质成分对混合物的还原过程有一定影响,使开始反应温度增加,氮气气氛中使每个反应阶段的还原分数降低。在氮气气氛中,三个煤种的煤粉分别对铁矿石粉还原的比较中,低温阶段(800℃-950℃)大同烟煤的还原性较好,高温阶段(1000℃~1100℃)神木煤也表现出了良好的还原性;在二氧化碳气氛中,三个煤种的煤粉分别对铁矿石粉还原的比较中,反应的起始温度、反应温度范围以及表观活化能参数均由煤种的气化特性决定。在氮气和二氧化碳气氛的比较中,二氧化碳气氛中的反应阶段对应氮气气氛中的第一个反应阶段,且在这个反应阶段中,铁氧化物的还原反应同碳的气化反应相互抑制。因此,在循环流化床煤基铁矿石粉直接还原试验中,选用大同烟煤作为还原剂,研究800℃-950℃下煤粉对铁矿石粉的还原情况。 采用循环流化床对铁矿石粉在氮气做流化介质的气氛中,煤粉做还原剂,进行了不同反应时间的试验研究;在此基础上,进行了氮气和二氧化碳分别作为流化介质的气氛中,反应温度对铁矿石粉还原程度的影响的对比分析。试验结果表明,氮气作为流化介质,在反应温度为950℃时,随着反应时间的增加,铁矿石粉还原度的增幅逐渐变缓,在反应时间为60min时达到87%的最大值;反应温度对铁矿石粉还原程度影响的对比试验中,随着反应温度的增加,还原产物的金属化率和还原度均增大,在800℃~850℃时增幅较大,850℃~900℃时增幅平缓,900℃~950℃时又出现了较大的增幅,直至950℃时达到63%的金属化率和87%的还原度;二氧化碳作为流化介质,反应温度对还原程度影响的对比试验中,随着反应温度的增加,还原度先增大而后趋于平缓,在反应温度为850℃时达到47%的最大值;在氮气和二氧化碳分别作为流化介质的比较中,得到二氧化碳的加入并不能促进焦炭气化,进而促进铁矿石粉还原反应的进行,相反会抑制还原反应的进行,导致850℃之前的还原度较氮气气氛中的降低,850℃之后混合物还原反应的结束。


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