微波场下生物质直接还原的过程行为

　　（辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山114051）

　　1 前言

　　目前，国内外的非高炉炼铁技术中，无论是直接还原法还是熔融还原法，仍然依靠化石能源，能源结构没有发生根本性改变，同样也面临着日益严苛的环保要求，这迫使人们寻求新的燃料途径[1-3]。新型可再生的生物质燃料，具有分布广泛、利用方便和污染小等特点开始受到人们的重视，为摆脱传统钢铁工业对化石能源的依赖，减少二氧化碳排放，实现绿色、清洁生产提供了可能[4-6]。相关研究人员已开展了生物质燃料在烧结、球团、炼铁等冶金过程应用的探索[7-10]。微波加热打破了传统冶金过程中，反应能源由燃烧化石燃料提供的格局，具有节能高效、易于控制、污染低等特点，在冶金工业中有着巨大的应用潜力。研究者在微波浸出、干燥、煅烧和烧结、以及还原等多方面进行了大量研究工作[11-15]。本文以生物质燃料做还原剂，对铁鳞进行微波快速碳热还原，解析生物质燃料在微波直接还原过程中的升温行为与还原能力，探索微波及生物质燃料在直接还原炼铁工艺中应用的可能性。

　　2 试验原料及方案

　　2.1 试验原料及试样制备

　　原料采用轧钢铁鳞、生物质炭（机制木炭）、焦炭、提质煤及膨润土。木炭、焦炭及提质煤在烘干箱105℃下烘干4小时，其工业分析见表1，轧钢铁鳞成分见表2。上述原料经磨样机研磨并筛分，粒度控制在200目以下。

 　　表1 还原剂工业分析/%

　　由表1可见，生物质炭的固定碳含量比烟煤、焦炭都低，仅为60%，因此燃烧迅速，热值较低，可以有效减少CO2排放；挥发分含量高，碳和氢结合成低分子的碳氢化合物，容易被引燃，实现快速燃烧。
 

 　　表2 轧钢铁鳞的化学组成成分/%
 

　　铁鳞是钢坯在热加工过程，由于高温的钢铁和空气中氧的接触形成的氧化铁皮。由表2可见，铁鳞的全铁含量高达72.88%，其中氧化亚铁提供的铁量接近50%，是优质的类铁精矿粉原料。

　　将粉状的铁鳞、还原剂（生物质燃料、焦炭、提质煤）按照三种碳氧比1.5：1、1.8：1和2.0：1进行配料，并添加2%的膨润土做为粘结剂，进行混和均匀、加适量水搅拌、经压块机挤压成型，成型后的铁鳞含碳压块在105℃下恒温干燥4小时后备用。

　　2.2 试验内容

　　（1）采用KH-6HMO型工业微波炉进行微波快速还原实验（实验装置见图1），通过外接热电偶进行实时温度测定，研究在微波加热条件下三种还原剂（生物质炭、焦炭和提质煤）、不同配碳量（碳氧比）时的铁鳞压块中的混合升温速率及还原过程失重情况。并对还原后产物进行形貌及物相结构的检测。

　　（2）利用热重分析法测定不同还原条件下的TG-DTG曲线，计算在铁鳞还原过程中的反应特征值，分析在铁鳞还原过程中不同还原剂的反应行为变化特点。

　　3 结果与分析

　　3.1 微波快速还原的升温特性

　　3.1.1 还原剂种类对混合料升温的影响 

　　铁鳞分别配加焦粉、煤粉和生物质炭粉，在相同配比的情况下，采用微波的反应功率为512W对铁鳞进行微波外场下的碳热还原反应，其物料的升温曲线见图1。

 　　表3 微波加热5min内混合料块中升温速率的比较（℃/min）

　　由图1和表3可见，微波加热的条件下，生物质炭作为还原剂与铁鳞组成的混合料，其升温速率高于提质煤粉及焦炭粉为还原剂时组成混合料的升温速率，2~5min即可进入高温区。

　　碳质还原剂对微波的吸收能力很强，碳在微波还原里有两个重要作用：一是作为热源，具有可以吸收微波的作用，二是作为还原剂，尤其是处于还原的较低温度阶段时，还原反应并未开始，碳质还原剂的主要作用体现在充当热源上。

　　提质煤粉、焦炭粉和木炭粉均属于无定型碳，在结构上处于半无序的状态，其石墨化程度都比较低。随着无定型碳的石墨化程度的提高，导电性变好，微波加热作用效果变差。在三种还原剂中，生物质炭石墨化程度最低，导致其与铁鳞的混合料在微波作用下加热效果最佳，尤其体现在加热初期。另外，生物质炭中的高挥发份快速燃烧，这些都导致木炭与铁鳞的混合料块在加热前期升温速率要大于提质煤和焦炭。

　　随着反应逐渐进行，混合料里碳还原剂的含量减少，可燃成分含量降低，料块进入高温恒温阶段，直接还原产生较多的浮氏体，其对微波吸收作用并不强。此时，木炭粉、焦炭粉以及提质煤粉的升温速率逐渐减小，速率之间的差距也随之减小。所达到的最高温度水平取决于还原剂种类和配入炭量，由图1可见，采用生物质炭、碳氧比为1:2时，微波加热5min后料块中温度即可达1200℃以上，而采用焦炭和提质煤时，料块中最高温度维持在900℃左右。

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